KR20040102332A - 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 안정되게 제공할 수 있고, 가격도 낮으며, 성능도 충분히 만족할 수 있는 올필름제 전자레인지용 콘덴서의 제법조건 등을 확립하는 것을 과제로 한다.
유전체가 폴리프로필렌필름이며, 두께가 7∼30㎛, 헤이지(hazy)값이 5∼50%, 스페이스 팩터가 5∼12%, 콘덴서용 오일을 85℃로 가열해 40시간이상 함침했을 때의 필름의 두께방향의 두께 변화율이 13%이하이며, 도전체인 알루미늄박의 두께가 4∼7㎛이며, 함침후의 오일의 유전정접(tanδ2)값이 0.10%이하 (80℃, 60Hz)이며, 오일을 함침하기 전의 콘덴서의 정전용량을 C1, 오일을 함침한 후의 정전용량을 C2라고 했을 때, C2/C1비의 값이 1.12∼1.17인 전자레인지용 오일함침 올필름 콘덴서이다.
Description
본 발명은, 폴리프로필렌필름을 유전체로 한 올필름제 전자레인지용 콘덴서에 관한 것이다.
전극과 유전체를 감아서 형성된 소자에 콘덴서용 오일을 함침해서 이루어지는 오일함침 콘덴서용의 유전체로서는, 당초, 콘덴서 종이(이하, 종이라 함)가 사용되고 있었다. 종이는, 종이 자체가 다공성이고 콘덴서용 오일(이하, 오일이라 함)을 함침시키는 것이 용이하고, 오일을 함침해도 팽윤이 없으며 또한, 콘덴서 사용시의 온도변동에 대해서도, 열팽창·수축이 적고, 설계가 용이하다고 해서, 널리 사용되어 왔다.
반면, 종이의 유전정접은 비교적 커서 콘덴서의 내부 발열량은 크다. 또한, 종이의 절연파괴전압이 낮기 때문에, 전위경도를 높게 할 수 없어, 필연적으로 두꺼운 종이를 사용하게 되어, 콘덴서가 커진다고 하는 결점을 피할 수 없었다.
또한, 종이는 그 제조과정에서 부생되는 여러가지의 폐기물에 의해 환경이 오염되어진다고 하는 문제나 종이의 원료인 자원의 보호 및 비용절감의 요망이 있어, 믹스타입에서 올필름화에의 교체가 희망되고 있었다.
한편, 합성수지필름은, 절연파괴전압이 높으므로 전위경도를 높게 설계할 수 있고, 내부발열량도 적으므로, 단위용량당의 체적이 작아도 되고, 대용량의 콘덴서를 소형화할 수 있으므로 설치면적이 적어진다고 하는 특징이 착안되며, 또한, 제조비용적으로도 많은 메리트가 인정되고 있다.
전력용 콘덴서는, 이들 메리트를 살려서 올필름 타입의 콘덴서가 사용되고 있다. 현재, 600V이상의 전력용 콘덴서에 사용되는 필름은, 전기적 성능이 뛰어난 2축연신 폴리프로필렌필름(이하, OPP라고 함)이 주로 사용되고 있다. 전력용 콘덴서는, OPP와 Al박을 감아서 형성된 소자를 평평하게 눌려진 소자로 해서 수개∼수십개를 묶은 후에, 밴드를 걸어서 소자를 소정 C2/C1으로 되도록 고정·구속한 후, 철제의 용기에 넣어서 오일을 함침하고, 밀봉한 구조로 되어 있다. 이와 관련하여, C1은 오일을 함침하기 전의 콘덴서의 정전용량, C2는 오일을 함침한 후의 정전용량이며, 전력용 콘덴서에 있어서의 C2/C1은 1.19∼1.20이다.
이것에 대하여, 전자레인지용 콘덴서는, 전력용 콘덴서와는 달리, 통상, 소자 수는 1개이며, 용기는 일반적으로 알루미늄통이 사용된다. 또한, 전자레인지용 콘덴서는 사용되는 환경온도범위가 넓다.
합성수지필름은 종이와 달리, 일반적으로 내부에 공극 등을 포함하지 않으므로(다공성이 아님), 빈틈없이 감겨진 경우에는 오일의 함침에 많은 시간이 필요하며, 또한, 오일을 함침하면 팽윤하고, 또한, 열팽창·수축이 종이에 비해서 크다는 등에 의해, 치수안정성이 낮아지기 쉽다고 하는 결점이 있다.
이들의 특성에 의해, 전자레인지용 콘덴서에 올필름 타입의 콘덴서를 사용하려고 하면, 전자레인지용 콘덴서는 OPP와 Al박을 감아서 형성된 소자 「1개」를 단독으로 사용하기 때문에 소정의 C2/C1로 고정하는 것이 곤란했다. 또한, 열에 의한 수축(팽창)이나, 오일에 의한 팽윤으로, 통이 부풀어지고, 오일이 흘러 나오는 등의 문제, 소자에 「주름」이 발생하고, 콘덴서가 파손되는 등의 원인이 되었다.
이와 같이 특성이 안정되어 있지 않기 때문에, 전자레인지용 콘덴서의 「올필름 타입 콘덴서」의 개발은 성공하지 못했다.
종이와 필름의 양쪽의 장점을 이용하는 것으로서, 종이와 필름을 혼용한 「믹스타입 콘덴서」가 개발되어, 오늘날 전자레인지용 콘덴서는 거의 100%가 믹스 타입으로 되어 있다.
종래의 전자레인지용 믹스타입 콘덴서의 일반적인 소자구성을 도 5에 모식적으로 나타낸다.
도 5에 있어서, Al박(4), OPP(5) 및 종이(6)를 이 순서대로 겹쳐서 감아, 소자를 구성한다. 전극인 상하의 Al박 사이의 유전체층은, OPP 1매와 종이 1매 또는 종이 2매로 구성된다. 믹스타입의 경우, 오일은 OPP의 표면상태에 관계없이, 종이가 가지는 다공성에 의해 소자 내부까지 용이하게 함침시킬 수 있다. 또한, 오일에 함침된 종이는 대부분 형상변화를 일으키지 않기 때문에, OPP의 팽윤이나 열팽창·수축에 대한 쿠션재 혹은 버퍼재의 역할을 하고, 소자를 압박하는 현상이 완화되어, 소자의 권체나 변형이 없어져서, C2/C1을 엄밀하게 규정하지 않아도 안정된 콘덴서를 제조할 수 있다. 그리고, 그 C2/C1로서는, 1.17∼1.18(종이 1매 + OPP 1매의 경우), 또는 ∼1.20(종이 2매 + OPP 1매의 경우)의 값으로 되어 있었다.
본 발명은, 아직 개발에 성공하지 못한 올필름제 전자레인지용의 콘덴서를안정되게 제공하고, 가격도 낮고, 성능도 충분히 만족할 수 있는 올필름제 전자레인지용 콘덴서의 제법 조건 등을 확립하는 것을 과제로 한다.
도 1은 본 발명에 의한, 유전체 구성부재가 OPP만으로 이루어지는 전자레인지용 올필름 콘덴서의 소자 구성의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예 1의 소자를 되감은 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예 1에 있어서의 OPP필름의 팽윤의 경시적 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 평평하게 눌려진 소자에 강직판을 샌드위치로 하여 구속한 상태로 완전히 수납하는 과정을 나타내는 설명도이다.
도 5는 종래의 전자레인지용 믹스타입 콘덴서의 일반적인 소자 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1, 4 : Al박
2, 3, 5 : OPP(이축연신 폴리프로필렌필름)
6 : 종이(콘덴서 종이)
본 발명자들은, 종이를 사용하지 않는 올필름제 전자레인지 콘덴서의 신뢰성향상에 기여하는 요소에 대해서 예의 검토를 행한 결과, 콘덴서의 유전체 필름이 폴리프로필렌필름만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지 콘덴서의 제작에 성공했다.
본 발명의 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서는, 폴리프로필렌필름과 알루미늄박을 감아서 형성된 소자에 콘덴서용 오일을 함침해서 이루어지는 전자레인지용 오일함침 올필름 콘덴서에 있어서, 상기 콘덴서의 유전체가 폴리프로필렌필름만으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 폴리프로필렌필름과 알루미늄박을 감아서 형성된 소자는, 트랙단면을 갖는 평평하게 눌려진 소자이며, 또한 구속되어 있는 것, 상기 폴리프로필렌필름은, 두께가 7∼30㎛, 헤이지(hazy) 값이 5∼50%, 스페이스 팩터가 5∼12%, 콘덴서용 오일을 85℃로 가열하여 40시간 이상 함침했을 때의 필름의 두께방향의 두께 변화율이 13%이하이며, 상기 알루미늄박의 두께가 4∼7㎛이며, 함침후의 오일의 유전정접(tanδ2)값이 0.20%이하(80℃, 60㎐)인 것, 오일을 함침하기 전의 콘덴서의 정전용량을 C1, 오일을 함침한 후의 정전용량을 C2라고 했을 때, C2/C1비의 값이 1.08∼1.22인 것이 바람직하다.
또한, 상기 소자의 상기 구속이, 이하의 형태의 단독, 또는 조합시킨 형태인 것이 바람직하다.
① 소자 권취공정의 종결부에 있어서 Al박이 규정의 길이에 달하여 Al박을 절단한 후, 폴리프로필렌필름만을 위에 감는 형태.
② PET필름, PP필름 등의 두꺼운 필름으로 소자를 싸는 형태.
③ 유리 페놀수지, 우레아수지 등의 강직성을 갖는 판으로 샌드위치하는 형태.
④ 소자를 넣은 통의 외부에서 통의 팽창을 구속하는 형태.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 올필름제 전자레인지용 콘덴서에 사용하는 폴리프로필렌(이하, PP라고 함)수지는, 멜트플로우값 1∼10g/10분, 바람직하게는 2∼6g/10분, 아이소탁틱도 93%이상, 바람직하게는 95%이상, 염소함유량 10ppm이하, 회분 30ppm이하이며, 500∼1,500ppm의 항산화제를 첨가한 PP조성물인 것이 바람직하다. 이 PP조성물을 가열성형하고, 2축연신하여, 본 발명의 유전체인 OPP로 한다.
여기에서, 상기 PP수지의 멜트플로우값이 1g/10분보다 작으면, PP조성물을 필름상으로 성형하는 것, 및 소정의 특성을 갖는 OPP를 얻는 것이 곤란하게 되는 일이 있고, 또한, 멜트플로우값이 10g/10분보다 크면 오일(절연유)내로의 저분자량 PP성분의 용출량이 증가하는 일이 있다.
OPP의 절연파괴성능은, 필름중의 결정화도에 좌우된다. 결정화도는 필름의 제막조건(제막온도, 연신배율 등)에 따라서도 변하지만, 아이소탁틱도에 의해 영향을 받는다. 아이소탁틱도 93%미만의 경우, OPP중의 비결정 부분이 많아지고, 오일에 의한 필름의 팽윤도가 커진다. 또, 아이소탁틱도 93%이상에서의 OPP의 결정화도는 대략 65∼85%이다.
염소함유량 및 회분은, 모두 OPP의 내전압 성능을 좌우하는 것으로, 어느쪽의 함유량이 많아져도 내전압이 저하하기 때문에, 염소함유량은 10ppm이하, 회분은 30ppm이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, PP조성물중의 항산화제량이 500ppm미만인 경우, PP조성물을 필름상으로 가열 성형할 때에 열열화가 일어나고, 또한, 항산화제량이 1,500ppm을 넘으면 OPP의 유전정접(tanδ)이 지나치게 커지는 경향이 보여지기 쉽다. 이러한, 성형시에 산화가 진행된 OPP 혹은 항산화제를 다량으로 포함하는 OPP를 오일함침 타입의 콘덴서에 사용하면, 내부발열이 커져서 필름의 열열화를 진행시키거나, 필름의 팽윤에 의한 변형이 커져서 콘덴서의 수명에 악영향을 끼치는 원인이 된다.
또, 멜트플로우값, 아이소탁틱도, 염소함유량, 항산화제량 등은, 상기 필름의 제조업계에서는 공지의 물성이다. 이러한 특성을 갖는 수지는, 콘덴서 필름용 수지로서 시판되고 있는 것에서 선택할 수 있다.
본 발명에 사용되는 필름(OPP)은, 상기한 PP수지를 사용해서 제조된다. 그 헤이지(hazy)값은 5∼50%인 것이 필요하지만, 특히 20∼40%인 것이 바람직하다. 또, 헤이지값은 필름을 통과하는 광의 양, 즉 입사광 강도에 대한 투과광 강도의 비(백분률)로 나타내어지는 값이며, 광의 산란률이다. 헤이지값에는 필름의 내부에서 발생하는 내부 헤이지와, 필름의 표면에서의 산란에 의해 발생하는 외부 헤이지가 있지만, 본 발명에서 규정하는 것은 외부 헤이지값에 대해서이다.
즉, 헤이지값은, 필름 표면의 조도상태(표면구조의 미세성)를 나타낸다. 헤이지값이 5%미만에서는, PP표면에 형성되는 미세구조가 충분하지 않기 때문에 스페이스 팩터가 목적으로 한 범위로까지 올라가지 않아, 신뢰성이 높은 콘덴서는 얻을 수 없다.
반면, 헤이지값이 50%를 초과할 경우, OPP 표면에는 미시적으로 복잡하고 깊은 오목부가 존재하고, 이 부분에서는 국부적으로 필름의 두께가 얇아지기 때문에 내전압이 저하하고, 콘덴서의 파손의 원인이 된다.
한편, 필름의 전체두께에 대하여, 표면의 요철부분이 차지하는 두께의 비율(표면조도의 크기의 절대치)을 구한 값이 스페이스 팩터(SF)라고 불리는 것으로, 마이크로미터 등으로 실측한 두께(t)에 대하여 필름의 중량으로부터 계산에 의해 구한 두께(w)의 비, 즉 SF=[(t-w）÷w]×100으로 나타내어진다. SF값은, OPP와 Al박을 교대로 감음으로써 형성한 소자의, 절연유가 들어가야 할 공간량(공극률)을 좌우하게 된다. 예를 들면 SF값이 크면 표면의 요철이 커진다.
본 발명에서 사용하는 OPP의 SF값은, 5∼12%인 것이 바람직하다. SF값이 5%미만인 경우, OPP와 Al박을 교대로 감음으로써 형성한 소자에 감압하에 있어서 오일을 함침시킬 경우, 오일이 필름층간 또는 OPP-Al박 층간에 충분히 함침이 고루 미치지 않아 코로나 방전전압이 저하하고, 그 결과 필름의 절연파괴가 일어나고, 콘덴서가 파손된다. 또한, SF값이 12%를 초과하면, 전항의 헤이지값이 50%를 초과할 경우와 마찬가지로, 필름 표면에 국부적으로 깊은 오목부의 존재 빈도가 증가하고, 내전압이 저하해버린다.
OPP는, 성형방법 및 조건에 따라 여러가지의 표면형태가 얻어진다. 제법을 크게 나누면 인플레이션법(동시 2축연신법)과 텐터법(순차 2축연신법)이 알려져 있다.
인플레이션법으로 얻어지는 헤이지 필름은, 그 제법상, 튜브상이며, 통상 서냉된 측은 요철이 크고, 반대로 급냉된 측은 작아진다.
즉, 내면과 외면에서 헤이지값 및 SF값의 정도가 다른 헤이지 필름을 제조하는데에 적합하다.
한편, 평판상으로 제막하는 텐터법은, 일반적으로 표면이 평활한 필름의 생산에 적합하지만, 제막시의 필름 양면의 냉각속도를 적절히 조정함으로써, 헤이지 필름의 제조가 가능하다.
본 발명에 있어서 사용되는 OPP는, 상술의 OPP의 모든 특성을 만족하는 것이면, 그 제법에는 제약되지 않는다.
본 발명에서 사용되는 필름두께는, 7∼30㎛이고, 단독 또는 복수매를 조합시켜서 사용된다. 설계전위경도에 따라 필름 매수나 두께의 조합에 베리에이션을 갖게 할 수 있다.
현재, 전자레인지용 콘덴서의 내전압을 2,000V로 하면, 필름의 최소 내전압은 300V/㎛이상이기 때문에, 2,000(V）÷300(V/㎛）≒7(㎛)로 되고, 유전체의 두께로서는 이론상 7㎛의 유전체 두께로 되어, 7㎛두께의 필름을 1매 사용하면 되는 것으로 된다. 그러나, 플라스틱필름은, 일반적으로 말해서, 제막시의 조건, 이물혼입, 공기의 내포 등에 의해 필름 자체에 두께 편차나, 경우에 따라서는 핀홀이 발생하여, 내전압은 저하한다고 보는 편이 낫다.
따라서, 설계상의 내전압(전위경도)은, 안전율을 높게 할 필요가 있다. 일반적으로는, 40∼100V/㎛의 값을 채용한다. 40V/㎛미만에서는 신뢰성은 증가하지만 비용이 높아지고, 100V/㎛를 초과하면 그 반대가 된다.
설계 내전압을 80V/㎛로 했을 경우, 2,000÷80=25로 된다. 필름 1매의 경우의 두께는 25㎛, 같은 두께의 필름을 2매 사용하면 12.5㎛, 3매라면 8.3㎛로 된다. 안전율은 필름의 약점부가 중복되는 확률을 적게 하면 높아지므로, 필름 1매보다 2매, 2매보다 3매의 경우 쪽이 안전율은 증가한다. 본 발명에서는, 통상 복수매를 조합시켜서 사용한다. 반면, 작업효율은, 매수가 적을수록 좋기 때문에 몇매로 설계할지는, 비용과의 관계로 결정된다.
또, 설계 내전압을 40V/㎛로 했을 경우, 2,000÷40=50(㎛)이고, 예를 들면 25㎛의 필름이 2매 사용된다. 또한, 설계 내전압을 100V로 하면, 2,000÷100=20㎛로 되고, 예를 들면 20㎛의 필름을 1매 사용해도 좋다. 안전율을 높이기 위해서는, 10㎛의 필름을 2매 사용하는 것이라도 좋다.
헤이지값 5∼50%, SF값 5∼12%의 이외에, 필름의 열수축률 또는 열팽창율, 및 오일중에서의 팽윤율도 중요한 팩터이다. 85℃, 60시간 후의 필름의 열수축률 또는 열팽창율은 2%이하이면 된다. 2%이하의 필름은, 적정한 제막조건을 채용함으로써 얻을 수 있다.
필름의 열수축률 또는 열팽창율은, 공기중에서의 값인 것에 대해, 팽윤율은오일중에서의 필름의 변화를 나타내고, 콘덴서로서 보다 현실적이고 영향이 커서 무시할 수 없다. 또, 오일중에서의 필름의 팽윤율은 주로 필름의 결정화도에 좌우되는 것은 상술했다. 그러나, OPP가 결정성 지방족 폴리머이기 때문에, 오일과의 상용성(조합)에서도 그 값은 변화된다. 본 발명에 있어서의 팽윤율은, 85℃의 오일에 함침해서 팽윤이 포화·평형에 도달하였을 때의 필름의 두께방향의 변화율이고, 13%이하, 바람직하게는 10%이하인 것이 바람직하다. 85℃의 오일로 하는 이유는, 전자레인지용 콘덴서의 수명시험조건이 이 온도이기 때문이다. 85℃에서 13%이하가 아니면, 수명시험에 합격되지 않는다. 또, 85℃의 오일 중에서 팽윤이 포화·평형에 도달할 때까지의 대략의 시간은, 40시간 이상, 바람직하게는 60시간이다.
콘덴서 소자중에서의 전극간(2매의 Al박 사이) 거리는, 알루미늄박의 신축은 무시할 수 있기 때문에 변화가 없는 것에 대해서, 필름은 열과 오일의 영향을 강하게 받는다. 팽윤율 13%이상에서는, 필름두께가 증대하여 용기를 부풀리게 하여, 파손의 원인이 되거나, 필름층간, 필름-알루미늄박층간에 침투한 오일을 배출해서 충분한 양을 유지할 수 없게 되고, 콘덴서 용량의 안정성이 나쁘고, 내전압이 저하하여 파손의 원인이 된다. 또한, 가열시간 40시간 미만에서는, 필름과 오일의 평형관계(가열시의 평형)가 종료되지 않기 때문에 안정적으로 콘덴서를 제조할 수 없다.
본 발명의 올필름제 전자레인지 콘덴서는, 상기의 조건을 만족하는 OPP와 Al박을 감아서 소자를 형성하고, 이것을 용기에 넣고, 이어서 오일을 함침하여 통밀봉함으로써 얻어진다.
소자는, 통상 둥근형으로 감겨지고, 권심(券芯)으로부터 뽑아져서 제조되지만, 단면이 트랙상의 용기에 넣어지기 때문에, 찌그러뜨려(평평하게 눌려진 소자로서) 용기내에 삽입된다. 평평하게 눌려진 소자란, 도 4에 나타내는 바와 같이, 소자의 중심부의 권심자국의 공극을 거의 없애도록 평행 평면으로 눌러 찌그러뜨려, 단면이 트랙의 형상을 보이는 상태의 소자를 말한다. 본 발명 소자형상은, 평평하게 눌려진 소자 또는 무유도권취 평평하게 눌려진 소자가 대상이다. 또, 권심을 넣은 상태의 둥근형 소자에서는 권취 하층부에서 권취 상층부까지 오일을 균일하게 함침시키는 것이 어렵고, 권심이 없는 둥근형 소자에 있어서는, 소자중심부를 향해서 필름의 팽윤에 의한 축경되는 힘이 가해져 중심부분이 이상변형하기 때문에, C2/C1비를 컨트롤하는 것이 매우 어렵다. 또, Al박은 콘덴서용으로서 시판되고 있고, 그 순도는 99%이상, 두께는 4∼7㎛이다.
오일은, 전극 사이에서의 부분방전 방지를 위해서 필수적인 재료이다. 요구되는 특성은, 이온성 불순물의 혼입이 없고, 유전정접이 작고, H2가스 흡수성이 뛰어나며, 내전압이 큰 것이다. 구체적으로는 유전정접(tanδ1)이 0.005∼0.05%(80℃, 60Hz)인 것이 채용된다.
오일 단독으로의 tanδ값(tanδ1)이 0.01%인 오일이라도, 콘덴서의 제조공정이나 부재로부터 혼입되는 불순물에 의해, 그 값은 악화된다. 용기(Al통은 사용전에 세정된다), 필름, Al박은 순도적으로 문제 없지만, 덮개(오일 누설방지를 위하여, 오일 주입구멍 봉쇄부재 등 각종부재가 사용되고 있다), 태브(취출전극. 태브에 종이를 붙인 타입의 것은 접착제가 사용되고 있다.), 소자 권취 종료후의 권취가 완료된 필름을 고정하기 위한 점착테이프(접착제) 및 클램핑재(팽윤방지재)의 순도가 특히 큰 문제가 된다.
물건에 따라서는 10배이상 오일의 tanδ을 악화시킨다. 이들 부재가, 사용가능한지 아닌지의 판정은, 콘덴서로 한 후의 tanδ값(tanδ2)에 의해 판정할 수 있다. tanδ2값은 0.20%이하가 필수적이다. 그 이상에서는, 콘덴서는 파손될 가능성이 증가한다.
부분방전이 발생하지 않기 위해서는, 오일 자신의 내전압이 높은 것이 필요하다. 그것을 위해서는 오일의 체적저항율이 1015Ω·㎝(80℃) 이상인 것이 바람직하다.
또한, 필름-Al박 각 층간에 보이드를 만들지 않는 것도 중요하게 된다. 그것을 위해서는, 필름-Al박 각 층간에 오일이 침투하기 쉽도록 오일의 점도가 낮은 것이 바람직하다. 또한 한냉지에서의 사용을 견디어내기 위해서는, 유동점은 -30℃이하의 오일이 바람직하다. 그러나, 사용환경이 영하로 되지 않는 온난지 사양에서는, 특별히 구애되지 않는다. 부분방전이 발생하면, 그 주변의 필름이나 오일이 방전에너지에 의해 분해되고, H2가스가 발생하며, 부분방전이 점점 발생하기 쉬워지기 때문에, 이 발생한 H2가스를 신속하게 흡수하는 특성을 갖는 오일인 것이, 보다 유효하게 되었다.
이들의 요구를 만족하는 것으로서, 방향족계의 합성유가 오랜 세월 다용되어, 대표적인 예로서, PXE 또는 SAS-40(모두 신닛폰 세키유 카가쿠(주)제의 상품명) 등, 합성 알킬화 방향족계 화합물류가 알려져 있다. PXE는 페닐크실릴에탄을 주성분으로 하고, SAS-40은 m-벤질톨루엔(32%), o-벤질톨루엔(5%), p-벤질톨루엔(22%), 디페닐에탄(38%)으로 이루어지는 혼합물이다. 저온특성을 향상시킬 목적으로 디페닐에탄의 일부를 벤질톨루엔으로 바꾼 것이나, 페닐크실릴에탄을 사용한 것도 있다.
이들 합성 알킬화 방향족계 화합물로 이루어지는 오일은, 특히 H2가스 흡수성이 우수하고, 단독으로 또는 2종이상을 혼합해서 사용할 수 있다.
일반(범용) 콘덴서용의 콘덴서용 오일로서 요구되고 있던 것은, 전기절연성의 기름이며, JIS C 2320에 규격이 나타내어져 있다. 이들은 광유, 알킬벤젠, 폴리 부텐, 알킬나프탈렌, 알킬디페닐에탄, 실리콘유가 예시된다. 이들의 오일은, 본 발명의 요구특성을 갖는 것을 제외하고, 단독으로 사용할 수는 없지만, 혼합해서 사용하는 것은 거부하지 않는다.
JIS규격 이외의 것으로서 식물계, 그 밖의 합성 에스테르계 오일 등이 사용되어 왔다. 식물계의 것으로서는, 대두유, 유채씨유, 면실유, 피마자유 등을 들 수 있고, 합성 에스테르계 오일 등으로서는, 장쇄 알코올, 인산에스테르, 술폰유, 고급 에스테르류 등이 알려져 있다.
그러나, 전자레인지용 콘덴서의 정격전압은 2,000V이상으로 고압이기 때문에, 이들 오일은 일반적으로 내전압이 낮아, 단독으로는 사용할 수 없다.
본 발명의 전자레인지용 콘덴서는, OPP와 Al박을 감아서 소자를 형성하고, 평평하게 눌러서 용기에 수용하고, 건조공정 등을 거쳐서 오일 충전·함침·에이징을 행하여 콘덴서를 제조한다. 이 일련의 과정에서, OPP에는 오일함침에 의한 치수변화(팽윤) 및 온도상승에 따르는 치수변화(오일중에서의 열수축 또는 열팽창)의 현상이 일어난다. 콘덴서의 안정성에 큰 영향을 주는 것은, 전자(팽윤)이다. 특히 적정한 필름(OPP)과 오일의 선정에 의해, 비로소 신뢰성이 뛰어난 올필름제 전자레인지용 콘덴서를 얻을 수 있다.
오일중에서의 필름의 팽윤율은, 85℃, 60시간 가열한 후에 13%이하, 바람직하게는 10%이하이지만, 이 조건을 충족시키기 위해서는 오일의 함침조건도 중요하게 된다.
오일의 충전후, 계속해서 가열하에 유지하고, 필름에의 오일의 침투(팽윤)를 완료시켜 평형화시키는 것에 의해, 안정성, 신뢰성이 보다 강고한 것으로 된다.
함침후의 에이징 시간은, 30∼60℃의 온도범위이고, 또한 함침시간을 포함시켜서 48시간 이상이 필요하게 된다. 48시간 미만에서는 필름중의 미소결함에까지 충분히 오일이 침투하지 않아 신뢰성을 확보할 수 없다. 바람직한 에이징 시간은 48∼60시간이다.
다음에, 오일을 함침하기 전의 콘덴서의 정전용량을 C1, 오일을 함침한 후의 정전용량을 C2라고 했을 때, 오일에 의한 필름의 팽윤을 속박(구속)하여, C2/C1비의 값이 1.08∼1.22, 보다 바람직하게는 1.10∼1.17이 되도록 하는 것이 필요하다.C2/C1비의 값이 1.08∼1.22의 경우, 필름을 적당하게 팽윤시켜 필름의 미소결함을 커버하고, 또한 필름층간 및 필름-알루미늄박 층간에 오일의 층이 균일하게 과부족 없이 존재하여 소자를 안정시킬 수 있다. 이 범위 미만일 경우는, 각 층간에 오일이 충분하지 않은 것을 의미하고, 과전중에 오일이 충분하지 않은 부분으로부터 부분방전이 일어난다. 발생한 코로나는, 오일 또는 필름 등 유기구성물을 분해하고, 콘덴서의 온도상승이나 내압상승을 일으켜서 파손되는 원인이 된다. 반면, 상기 범위를 초과하는 경우는, 층간의 오일량이 과대한 것을 의미하고, 오일의 내전압이 낮기 때문에 분해가 일어나서, 반복사용으로 파손되는 원인이 된다.
C2/C1비를 1.08∼1.22로 속박하는 방법은, 평평하게 눌려진 소자 또는 무유도권취 평평하게 눌려진 소자의 상하를,
① 소자 권취공정의 종결부에 있어서 Al박이 규정의 길이에 달하여 Al박을 절단한 후, 폴리프로필렌필름만을 위에 감는 방법.
② PET필름, PP필름 등의 두꺼운 필름으로 소자를 싸는 방법.
③ 유리 페놀수지, 우레아수지 등의 강직성을 갖는 판으로 샌드위치하는 방법.
④ 소자를 넣은 통의 외부에서 통의 팽창을 구속하는 방법.
의 단독, 또는
⑤ 상기 ①∼④를 조합시킨 방법.
이 예시된다.
①의 방법에서는, Al박이 개재시키지 않는 부분의 권취에서는 그 부분이 팽윤·열팽창에 의한 확경보다, 그 자체가 내부측에 대한 팽창억제의 작용 쪽이 큰 것을 이용하는 것으로, 잉여권취는 15회 이상, 바람직하게는 20∼30회가 채용된다.
②의 방법은, 소자보다 강성이 높은 필름으로 소자를 싸고, 점착테이프 혹은 접착제로 그 권취둘레 길이를 고정하려고 하는 것이다. 필요하면, 필름을 복수회 감는다.
③의 방법은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 강직성을 갖는 판을 소자를 찌그러뜨린 양면에 접촉하여 테이프 등으로 고정하는 것이다. 도 4의 예에서는, 강직성을 갖는 판으로서는 유리 페놀수지판을 예시하고 있다.
④의 방법은, 소자 수납용기(케이싱)상에 그리고 그 둘레에 하나이상의 강철 후프(hoop)를 배치함으로써, 알루미늄통 등의 소자 수납용기의 팽창율 및 폭 증가를 규제함으로써, 소자의 팽윤·팽창을 규제하는 것이다. 또다른게는, 소자를 수납하는 케이싱의 평평한 표면에 강철 스플린트(splint)를 부착하는 것이다.
콘덴서로부터, 직접적으로는 오일을 함침하기 전의 콘덴서의 정전용량 C1을 계측할 수는 없지만, 사용되는 유전체 필름의 비유전율, 두께와 폭 및 스페이스 팩터, 알루미늄박(전극) 길이, 오일의 비유전율 등으로부터 근사계산으로 구할 수 있다.
유리 페놀수지, 우레아수지 등의 강직성을 갖는 판으로 샌드위치하는 방법이나, PET필름, PP필름 등의 두꺼운 필름으로 소자를 싸는 방법의 경우, 중요한 것은, 이들 부재가 오일을 오염시키는 유해한 불순물을 함유·방출하지 않는 것이다. 오일중에 용해되는 이온성 불순물이 존재하면, 콘덴서는 용이하게 파손되게 된다.
C2/C1을 목표값으로 유지하는 바람직한 방법은, 권취 종료 후의 소자를, 같은 필름을 사용해서 통상보다 길게 후권취하는 방법이다. 후권취 필름의 길이는 소자를 15회이상, 바람직하게는 20회이상 권취하는 것이 유효하다. 15회이하에서는 클램핑 효과는 적고, C2/C1을 목표값으로 유지하는 것은 곤란하게 되기 쉽다.
소자의 상하(찌부러뜨린 평행면)를 속박하는 방법 이외에, 통의 외부에서 통의 팽창을 구속하는 방법도 가능하다. 이들 구속방법은, 단독 또는 조합시켜서 사용할 수 있다.
본 발명에 의한, 유전체 구성부재가 OPP만으로 이루어지는 전자레인지용 오일함침 올필름 콘덴서의 소자구성의 일례를 도 1에 모식적으로 나타낸다.
도 1에 있어서, Al박(1), OPP(2), OPP(3)를 1세트로 하여 이 순서로 겹쳐서 감아 소자를 구성한다. 전극인 상하의 Al박 사이의 유전체층은, 이 도시예에서는 2매의 OPP로 구성된다. OPP의 매수는, 상술한 바와 같이 적절히 할 수 있다. 또한, 복수 사용할 경우에, 각 OPP의 막두께는 동일한 것을 원칙으로 하지만, 다른 것이라도 지장이 없다.
올필름 타입 콘덴서에서는, 필름이 오일에 의해 팽윤되면 필름의 두께는 증가한다. 동시에 감겨진 부재끼리는 압박되게 된다. 또한, 필름이 열수축하면 소자에 감아조이는 힘이 가산되어, 오일함침에 의해 소자중의 부재 사이에 유지되어 있던 오일이 소자 외부로 압출되는 현상이 일어나거나, 소자에 주름이 발생해서 파손의 원인이 되는 일이 있다.
믹스 타입, 올필름 타입의 어느 제법에 있어서도 그 제조공정은 같고, 세정=통 및 뚜껑을 세정한다, 소자권취=권심에 OPP와 알루미늄박을 감고, 권취 도중에 전극취출을 위한 태브를 삽입한다, 평평하게 누름, 조립= 외부전극과 방전저항을 부착한 통 뚜껑에 태브로부터 인출되어 있는 리드를 납땜한다, 통넣기=이것을 통(케이싱)에 넣는다, 권체=뚜껑과 케이싱 상부의 접합부를 권체한다(통밀봉한다), C1및 tanδ1측정, 건조(진공하), 오일함침(진공하), 에이징(방치), 통밀봉, C2및 tanδ2측정이다.
믹스타입 콘덴서의 건조는, 통상 종이는 융점이 없고, 흡수성 때문에 고온(90∼120℃)에서 장시간(72시간 이상)이 적용되는 것에 대해, 올필름 타입은 필름의 연화점(융점 168∼170℃)이 낮고, 물을 흡수하지 않기 때문에, 온도는 30∼60℃, 시간은 24시간 이내로 충분하다.
30℃이하에서는 수분의 제거에 장시간을 필요로 한다. 반면, 60℃이상의 건조온도에서는, 상술한 바와 같이 오일함침시에 60℃이하로 확실하게 해 두지 않으면 필름의 팽윤, 소자에 수축이 일어나 오일이 함침되기 어려워진다.
또, OPP폭과 Al박폭의 끝면의 차(마진 폭)는, 3㎜∼10㎜가 바람직하다. 3㎜이하의 마진 폭에서는, 소자 끝면에서 전극 사이에서의 회전방전이 일어나 파손되는 일이 있다. 10㎜이상에서는 회전방전의 문제는 없어지지만, 필름을 여분으로 사용하는 것이 되어, 비용상승으로 된다. 또, 플래그형상 태브(인출전극)를 사용하지 않는 무유도 권취 평평하게 눌려진 소자의 경우의 마진 폭은, 유전재료의 사이에서 머리가 감춰져 있는 측의 마진 폭을 의미한다. 반대측의 돌출 폭은 적절하게 한다.
제품의 시험은, 히트사이클, 부분방전 개시전압(코로나 방전전압) 측정, 연속과전, 직류파괴전압(DC-BDV)의 측정이다.
히트사이클 테스트 조건은, 실온(유지시간 8시간)-80℃(유지시간 16시간)-실온-80℃로 2회 반복한다.
연속과전(라이프 테스트) 조건은, 정격전압×1.25배(2,625V), 500시간, 85℃ 분위기하로 한다.
DC-BDV는, 실온하, 정격전압×4.3배(9,030V)로 한다.
부분방전 개시전압(코로나 방전전압) 측정은, 코로나 측정기, NF회로블록사제를 사용해서 측정했다. 콘덴서를 85℃로 해서, AC 1,650V×24시간(16.5㎛의 필름을 2매 사용했을 경우, 1,650V=50V/㎜×16.5㎛×2를 기준으로 했다)의 예비과전 실시후, 콘덴서의 온도를 실온까지 내리고, 4,000V/90초의 속도로 AC전압을 인가하여 부분방전이 발생하는 전압을 측정한다.
이들 항목을 모두 클리어 해서(파손되지 않는다) 비로소 합격이 된다.
(실시예 1)
이하, 실시예와 비교예를 나타내어 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다.
[소자제조]
Cu판에 주석도금을 한 플래그형상 태브(인출전극)를 사용하여, 두께 16.5㎛, 폭 75㎜의 OPP필름 2매 및 두께 6㎛, 폭 60㎜의 Al박 1매를 감아서 외경 40㎜(내경 12㎜)의 콘덴서 소자(사양 2,100V, 1㎌)를 제작했다. 마진 폭은 양측 모두 7.5㎜로 했다. 태브 위치는 중앙(접착제: 아크릴계 접착제 전사테이프). 사용한 OPP필름의 헤이지값은 30%, 스페이스 팩터 10%, 오일(PXE) 85℃, 60시간 가열했을 때의 필름의 두께방향의 팽윤율은 8%이었다. 또, 소자를 되감은 상태를 도 2에 나타내었다.
오일(PXE)의 온도 85℃, 60시간 가열했을 때의 필름의 두께방향의 팽윤율의 측정방법은, 오일 500cc를 비이커에 주입하고, 85℃로 승온한 후, OPP필름(폭 35㎜×길이 400㎜)을 침지하여 행하였다. 시간의 경과와 함께 팽윤율은 증가하지만, 이 변화를 도 3에 나타내었다.
도 3으로부터, 시간의 경과와 함께 필름이 팽윤되고, 약 40시간에서 거의 평형에 도달하는 것을 이해할 수 있다. 여유를 가져서 60시간으로 하면 보다 확실하다.
소자를 찌부러뜨려서 「평평하게 눌려진 소자」로 하고, C1(0.936㎌) 및 tanδ1(0.02%)을 측정했다.
이어서, 두께 2㎜, 폭 30㎜×길이 80㎜로 이루어진, 암모니아성 불순물을 컷트한 유리 페놀수지판(히타치카세이제, 상품명: 스탠드라이트 CP-J-8700) 2매를 소자의 상하에 세트하고, 전기용 폴리에스테르 접착제 테이프로 C2/C1이 1.14로 되도록 고정(구속)했다.
10㏁의 방전저항을 전극에 접속한 뚜껑을 부착한 통(충분히 세정한 알루미늄 통)에 구속한 소자를 봉입하고, 복수의 통을 합쳐서 밀봉용기에 삽입했다. 통이 삽입된 밀폐용기를 0.001Torr로 감압으로 한 후, 60℃까지 승온하고, 24시간 건조후 40℃까지 냉각하여, 동 온도로 PXE오일을 용기에 주입(함침)했다. PXE오일로 충분히 탈기하기 위해서, 1시간을 요해서 밀폐용기에 오일을 충전했다. 40℃로 50시간 정치한 후, 통의 오일 주입구를 밀폐하여 콘덴서를 제조했다.
C2의 값은 1.067㎌, tanδ2는 0.08%이고, C2/C1=1.14이었다.
[소자 평가결과]
1. 히트사이클 테스트: 실온으로부터 80℃로 승온하고, 16시간 유지. 이것을 2회 행했다. 결과는 합격이었다.
2. 부분방전 개시전압: 예비과전: 85℃, 1,650V×24시간후, 부분방전 개시전압을 측정했다. 그 값은 2,759V이었다.
3. 연속과전 테스트: 85℃, 2,625V(정격전압 2,100V×1.25)로 500시간 행하였다. 결과는 합격이었다(파손되지 않았다.).
4.직류파괴전압 테스트: 200V/s로 승압하고, 파괴전압을 측정했다. 합격(파괴)전압은 9,030V(정격전압×4.3배)이상이다. 결과는 10,200V로 파손되지 않았다(합격).
측정에 사용한 기기는, 용량 및 tanδ: LCR미터(NF회로블록사제), 부분방전(코로나 측정기, NF회로블록사제), 라이프 테스트 : 연속과전 장치(소켄덴키사제),온도는 니치유기켄고교사제의 서모라벨을 사용했다. 또한 얻어진 결가를 표 1에 나타내었다.
[실시예 2∼7]
클램프 방식을 표 1 나타낸 방식으로 행한 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로 콘덴서를 제조하였다. 평가결과는 표 1에 나타내었지만, 모두 만족하는 것은 아니었다.
또, 클램프의 사양의 상세한 것은 이하와 같다.
Al판 치수(두께 2㎜, 폭 30㎜×길이 80㎜), 석영유리 치수(두께 2㎜, 폭 30㎜×길이 80㎜)(모두, 고정 테이프는 전기절연용 폴리에스테르 접착제 테이프), PET필름(두께 20㎛, 폭 75㎜, 길이 150㎜, 콘덴서용 PET), PP필름(두께 25㎛, 폭 75㎜, 길이 100㎜, 콘덴서용 순도수지 사용), OPP후권취(두께 등은 소자권취에 사용한 필름과 같은, 권취종료 후의 필름길이: 실시예 6은 30턴, 실시예 7은 20턴(3자 모두 고정 테이프는 전기절연용 폴리에스테르 접착제 테이프).
[실시예 8∼14]
표 2에 나타내는 조건으로, 실시예 2∼7과 같은 방법으로 콘덴서를 제조했다. 평가결과는 표 2에 나타내었지만 모두 만족할 수 있는 것이었다.
[비교예 1∼7]
비교를 위하여, 표 3에 나타내는 조건으로 이하의 실험을 행했다. 각각의 실험의 변경사항은 이하와 같다.
비교예 1: 콘덴서 오일에 채종유를 사용했다.
비교예 2: 스페이스 팩터가 작은 필름을 사용했다. 스페이스 팩터=4%.
비교예 3: 팽윤율이 큰 필름을 사용했다. 팽윤율=15%.
비교예 4: 오일함침을 낮은 온도(실온)에서 실시했다. 오일함침온도=20℃.
비교예 5: 오일함침을 고온·단시간에 실시했다. 오일함침온도=80℃, 시간=8시간.
비교예 6: C2/C1을 크게 했다. C2/C1=1.25.
비교예 7: 소자에 클램프를 걸지 않았다.
올필름제 전자레인지용 콘덴서를 안정적으로 제조할 수 있고, 환경대책, 비용삭감효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면 안정성이 있는 올필름제 전자레인지용 콘덴서가 제조가능하게 되었다.
Claims (10)
- 축선 둘레에 유전체 시트 재료와 알루미늄박의 층을 감아서 콘덴서용 오일을 함침시킨 소자, 및 상기 소자와 유사한 윤곽을 가지며 상기 소자가 수납되는 케이싱을 포함하는 전자레인지용 오일함침 올필름 콘덴서에 있어서, 상기 유전체 재료는 하나이상의 폴리프로필렌 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제1항에 있어서, 상기 소자를 트랙단면을 갖는 평평한 형상으로 구속하기 위한 구속수단을 갖는 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제2항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 수지필름은, 총두께가 7∼30㎛, 헤이지(Hazy)값이 5∼50%, 스페이스 팩터가 5∼12%, 콘덴서용 오일을 85℃로 가열하여 40시간 이상 함침하였을 때의 두께변화율이 13%이하이고, 상기 알루미늄박의 두께가 4∼7㎛이며, 함침후의 오일의 유전정접(tanδ2)값이 0.20%이하(80℃, 60㎐)인 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제3항에 있어서, 상기 유전체 시트 재료는 폴리프로필렌 수지로 된 2개의 필름이 조합되어 있는 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제3항에 있어서, 오일을 함침하기 전의 콘덴서의 정전용량을 C1, 오일을 함침한 후의 정전용량을 C2라고 했을 때, C2/C1비의 값이 1.08∼1.22인 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제3항에 있어서, 상기 구속수단은, 알루미늄박을 수반하지 않고 상기 필름의 후단부를 상기 소자상에 다수회 감아서 고정시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제3항에 있어서, 상기 구속수단은, 폴리에텔렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리프로필렌(PP)으로부터 선택된 재료로 된 별도의 플라스틱 필름을 상기 소자상에 고정시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제3항에 있어서, 상기 구속수단은, 상기 소자를 사이에 두고 2개의 강직성 판으로 샌드위치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제3항에 있어서, 상기 구속수단은, 상기 케이싱의 변형을 방지하는, 금속 후프(hoop) 및 스플린트(splint)로부터 선택된 강직성 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서.
- 제1항에 기재된 전자레인지용 오일함침 올필름 콘덴서를 제조하는 방법으로서,① 소자의 함침전의 유전정접(tanδ1)값이 0.005∼0.05%(80℃, 60㎐)인 콘덴서용 오일을 사용하는 단계; 및② 30∼60℃에서 콘덴서용 오일로 소자의 함침을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 올필름제 전자레인지용 오일함침 콘덴서의 제조방법.
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