KR20200135787A - 적층 제조 기법들에 의해 전력 디바이스를 생성하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

적층 제조 기법에 의해 후속으로 제조된 부분들로부터 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법은 전력 디바이스의 물리적 특성의 타겟 공간 분포를 결정하는 단계로서, 물리적 특성은 전기적 특성 및/또는 기계적 특성인, 상기 전력 디바이스의 물리적 특성의 타겟 공간 분포를 결정하는 단계; 전력 디바이스의 부분 (50) 을 형성하는 단계; 부분 (50) 의 대응하는 물리적 특성과는 상이하도록 물리적 특성의 결정된 공간 분포에 대응하는 전력 디바이스의 후속 부분 (51) 의 물리적 특성을 선택하는 단계; 및 적층 제조 기법에 의하여, 부분 (50) 과 적어도 부분적으로 접촉하도록 후속 부분 (51) 을 형성하는 단계를 포함한다. 전력 디바이스 (100) 가 그 방법에 의해 획득가능하고, 그 전력 디바이스는 HVAC 또는 HVDC 장치에서 AC 또는 DC 절연체로서 사용될 수도 있다.

Description

적층 제조 기법들에 의해 전력 디바이스를 생성하기 위한 방법

본 개시는 전력 디바이스를 생성하기 위한 방법, 전력 디바이스, 및 전력 디바이스의 용도에 관한 것이다.

고전압, 고전류 AC 또는 DC 디바이스들과 같은 전력 디바이스들은 충전부(live part)들의 적합한 전기 절연을 보장하기 위해 제공되는 컴포넌트들을 포함한다. 절연 작업을 갖는 전력 디바이스에 대한 일 예는 가스 절연형 스위치기어용 스페이서이다.

사출 몰딩과 같은 몰딩은 전기 절연용 컴포넌트를 제조하는 일반적인 방법이다. 더 큰 절연 부분들이 진공 캐스팅 방법 또는 자동 압력 겔화 (APG) 방법에 의해 제조될 수도 있다. 더욱이, 일본 공개공보 JP 2016 031 845 A 는 3차원 모델링 디바이스에 의하여 제조되는 가스 절연형 스위치기어용 스페이서를 기술한다. 이 종래기술 문헌에 있어서, 절연 스페이서의 적층 구조는 상이한 적층 부분들을 가지며, 여기서, 적층 부분들을 위해 사용되는 절연 재료의 배합 비율은 변경되어, 유전 상수가 절연 스페이서의 일측으로부터 타측으로 연속적으로 감소하게 한다.

종종, 전력 디바이스들은 또한, 특정 기계적 특성들을 나타내고/내거나 큰 기계적 응력들을 견뎌 낼 필요가 있다. 그러한 전력 디바이스들에 의해 충족될 기계적 특성들의 하나의 예는 전력 디바이스가, 예컨대, 가스 절연형 스위치기어에서 사용될 때 본질적으로 기밀 구현이다. 따라서, 예컨대, 전도체에 대해 적합한 기계적 지지를 제공하고 그리고 예컨대, 압력 차이들에 대해 적합한 기계적 내성을 나타내면서 적합한 절연 기능을 갖는 전력 디바이스에 대한 필요성이 존재한다.

본 개시의 일 양태에 따르면, 적층 제조 기법에 의해 후속으로 제조된 부분들로부터 전력 디바이스를 생성하기 위한 방법이 제공된다. 그 방법은 전력 디바이스의 물리적 특성의 타겟 공간 분포를 결정하는 단계로서, 물리적 특성은 전기적 특성 및/또는 기계적 특성인, 상기 전력 디바이스의 물리적 특성의 타겟 공간 분포를 결정하는 단계; 전력 디바이스의 부분을 형성하는 단계; 물리적 특성의 결정된 공간 분포에 대응하는 후속 부분의 물리적 특성을 선택하는 단계; 및 적층 제조 기법에 의하여, 그 부분과 적어도 부분적으로 접촉하도록 후속 부분을 형성하는 단계를 포함한다.

실시형태들에 있어서, 전기적 특성의 경우, 공간 분포는 주어진 전기적 환경에서 장착될 때 전력 디바이스의 타겟 전기 필드 패턴이고, 기계적 특성의 경우, 전력 디바이스의 타겟 기계적 강도이다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, "타겟" 패턴은 "원하는" 패턴으로서 해석될 수도 있다. 타겟 패턴은, 예를 들어, 시뮬레이션을 통해 획득된다. 예를 들어, 타겟 전기 필드 패턴은 최종 전력 디바이스의 주어진 형상 또는 구성에 대한 전기 필드의 공간 분포의 시뮬레이션을 통해 획득된다. 다른 예로서, 전력 디바이스의 타겟 기계적 강도는 최종 전력 디바이스의 주어진 형상 또는 구성에 대한 기계적 강도의 공간 분포의 시뮬레이션을 통해 획득된다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 그 부분은 후속 부분을 형성하는데 사용되는 동일한 기법에 의해 형성된 부분일 수도 있다. 그 부분은 또한, 기술적으로 가능한 한 작을 수도 있으며; 그 다음, 후속 부분이 전력 디바이스를 지배한다.

초기 부분으로서의 그 부분이 이미 존재할 수도 있으며, 본 명세서에서 개시된 바와 같은 방법은 전력 디바이스를 완성하기 위하여 이러한 초기 부분에 적용된다. 방법을 수행할 때 초기 부분이 존재하지 않고 그 부분이 적층 제조 기법에 의해 형성되고, 그 다음, 그 부분을 형성하기 위해 사용된 것과 동일한 기법과 같은 적층 제조 기법에 의해 후속 부분 또는 부분들이 형성되는 것이 또한 가능하다.

일 양태에 있어서, 적층 제조 기법에서의 물리적 특성들은 예컨대 상이한 재료들을 사용함으로써 변경되거나 선택되어, 후속 부분 또는 후속 부분들이 전력 디바이스의 개별 제조 포지션에 대해 적절한 또는 타겟 물리적 특성을 갖게 한다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 적층 제조 기법은 배트 광중합 (vat photopolymerization), 재료 압출, 재료 분사, 분말 기반 3D 프린팅, 또는 적층 기반 3D 프린팅과 같은 임의의 3D 프린팅 기법으로서 예시된다. 바람직하게, 적층 제조 기법은 배트 광중합, 재료 압출, 재료 분사 중 하나이다. 배트 광중합 기법에 있어서, 액체 중합체 또는 액체 중합체들의 혼합물은 광의 인가에 의해 활성화되는 중합 프로세스에서 배트에서 선택적으로 경화된다. 재료 압출 기법에 있어서, 열가소성 재료, 고무 재료 등이 노즐 또는 오리피스를 통해 선택적으로 디포지션된다. 재료 분사 기법에 있어서, 적합한 재료의 액적들이 선택적 방식으로 디포지션된다. 본 명세서에서 예시적인 기법들로서 사용되는 다양한 적층 제조 기법들은 그와 같이 공지되어 있고, 따라서, 그 상세들은 본 명세서에서 설명되지 않는다.

통상적으로, 적층 제조 기법에 있어서, 후속 부분은 중합체 재료로서 형성된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 중합체 재료는 (폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같지만 이에 한정되지 않는) 열가소성 재료, (에폭시드와 같지만 이에 한정되지 않는) 열경화성 재료, (고무 재료 또는 실리콘과 같지만 이에 한정되지 않는) 엘라스토메릭 재료, 경화성 중합체 절연 재료, 또는 이들의 조합들로서 예시된다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 전기적 환경은, 예를 들어, 전력 디바이스가 사용되게 될 장치의 전기적 특성들 및/또는 치수들을 포함한다. 예를 들어, 전기적 환경은 특정 전압에서의 전극과 접지 전위 사이의 전기 필드 또는 전기 필드 분포로서 정의된다. 장치에 대한 일 예는 가스 절연형 스위치기어와 같은 스위치기어 또는 회로 차단기이다. 전기적 환경은, 예를 들어, 측정에 의해 및/또는 시뮬레이션에 의해 주어진다.

타겟 전기 필드 패턴은, 예컨대, 전기적 환경 내에서 전력 디바이스로서 절연 디바이스를 설치함으로써 전력 디바이스가 전기적 환경의 부분이거나 부분이 될 때 획득되는 원하는 전기 필드 패턴일 수도 있다. 전력 디바이스는 통상적으로, 전기적 환경에서 전기 필드의 분포에 영향을 미친다. 그 다음, 원하는 전기 필드 패턴이 전기적 환경에서 획득되도록 후속 부분의 전기적 특성이 선택되거나 택하여 질 수도 있으며, 그 다음, 그 선택에 따라 후속 부분이 형성될 수도 있다.

통상적으로, 전력 디바이스의 타겟 기계적 강도의 공간 분포를 결정하는 것은 전력 디바이스의 주 기계적 응력의 경로를 식별하는 것을 포함하며, 후속 부분의 기계적 특성의 선택 및 후속 부분의 형성을 수행하는 것은 주 기계적 응력의 식별된 경로를 따라 미리 결정된 강도 임계 값 이상인 기계적 강도를 갖는 후속 부분들 중 하나 이상을 형성하는 것을 포함한다.

주 기계적 응력의 경로는 통상적으로, 장치에 설치될 때 전력 디바이스의 실제 작동 동안 발생한다. 예를 들어, 주 기계적 응력의 경로는 가스 절연형 스위치기어에서의 특정 압력 분포로 인해 확립되며, 여기서, 가스 압력은 전력 디바이스로서 기능하는 절연 디바이스의 일측 또는 양측에 작용한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 주 기계적 응력의 경로는, 전력 디바이스의 비교적 얇은 영역들에서, 전력 디바이스의 장착 영역들 등에서와 같은 비슷한 기계적 응력 레벨의 복수의 경로들을 또한 포함할 수도 있다.

미리 결정된 강도 임계 값은, 예컨대, 주 기계적 응력의 경로를 따라 전력 디바이스의 엘리먼트에 작용할 것으로 예상되는 특정 힘을 견뎌 내기에 충분히 크도록 선택될 수도 있다. 예상되는 힘은, 예를 들어, 전력 디바이스가 설치될 실제 장치에서 측정 동작을 수행하는 것에 의해 및/또는 시뮬레이션에 의해 획득될 수도 있다.

실시형태들에 있어서, 미리 결정된 강도 임계 값 이상인 기계적 강도를 갖는 주 기계적 응력의 경로를 따른 후속 부분 또는 부분들은 경량 재료로 둘러싸인다. 따라서, 동작 동안 발생하는 주 응력 경로들을 따라 비교적 조밀한 고 강도 재료 및 이 고 강도 재료를 둘러싸는 더 경량의 재료를 가져서 경량의 고 강도 전력 디바이스가 되는 전력 디바이스가 획득될 수도 있다.

특히, 타겟 전기 필드 패턴을 달성하기 위한 선택 및 타겟 기계적 강도를 달성하기 위한 선택은 동시에 수행된다. 동시 선택은 동일한 후속 부분에 대해 수행될 수도 있으며, 동시 선택으로부터 발생하는 동시 조건들이 동시에 획득될 수 없는 경우, 타겟 전기 필드 패턴 및 타겟 기계적 강도 중 하나가, 예컨대, 트레이드-오프 고려사항에서의 상대적 중요성에 따라 선택될 수도 있다. 또한, 후속 부분들 중 일부는 주로 타겟 전기 필드 패턴을 달성하는데 기여하고 후속 부분들 중 다른 것들은 주로 타겟 기계적 강도를 달성하는데 기여하도록, 상이한 후속 부분들에 대해 동시 선택이 수행될 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 물리적 특성을 선택하는 것은 의도적인 행위로서, 예컨대, 개별 특성이 특정 필요에 따라 선택되는 설계 프로세스의 부분으로서, 이해되어야 한다. 개별 특성은 통상적으로, 특정 한계들 내에서 변경될 수도 있는 미리 결정된 또는 미리 결정 가능한 (즉, 선택 가능한) 특성이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 선택하는 것은, 값 범위가 개별 특성의 특정 상한 임계 값을 초과하지 않는 것 및/또는 개별 특성의 특정 하한 임계 값 아래로 떨어지지 않는 것과 같은, 개별 특성에 대한 용인가능 또는 허용가능 범위를 선택하는 것을 수반할 수도 있으며, 여기서, 개별 임계 값들은 특정 필요를 충족시킨다.

특정 물리적 특성을 선택하는 것은, 모든 선택된 물리적 특성들에 대한 특정 필요들이 동시에 충족되도록 개별 다른 물리적 특성을 동시에 선택하는 것을 수반할 수도 있다. 예를 들어, 타겟 전기 필드 패턴에 따라 전기적 특성을 선택하는 것은 타겟 기계적 강도에 따라 기계적 특성을 동시에 선택하여 전기적 특성에 대한 특정 필요와 기계적 특성에 대한 특정 필요 양자 모두가 충족되도록 하는 것을 수반할 수도 있다. 마찬가지로, 타겟 기계적 강도에 따라 기계적 특성을 선택하는 것은 타겟 전기 필드 패턴에 따라 전기적 특성을 동시에 선택하여 전기적 특성에 대한 특정 필요와 기계적 특성에 대한 특정 필요 양자 모두가 충족되도록 하는 것을 수반할 수도 있다.

특정 물리적 특성을 선택하는 것은 개별 다른 물리적 특성을 동시에 선택하는 것, 및 특성들에 대한 특정 필요를 충족하는 것이 동시에 충족될 수 없는 경우, 예컨대, 특성들 중 하나의 특성의 특정 필요를 충족하기 위한 중요도가 특성들의 다른 특성의 특정 필요를 충족하기 위한 대응하는 중요도를 초과할 때, 물리적 특성들 중 어느 특성 또는 어느 특성들이 충족될 것인지를 선택하는 것을 수반할 수도 있다.

예를 들어, 타겟 전기 필드 패턴에 따라 전기적 특성을 선택하는 것은 또한, 기계적 특성을 동시에 선택하는 것, 및 전기적 특성에 대한 특정 필요를 충족하는 것과 동시에 기계적 특성에 대한 특정 필요를 충족하는 것이 가능하지 않는 경우, 예컨대, 특성들 중 하나의 특성의 특정 필요를 충족하기 위한 중요도가 특성들의 다른 특성의 특정 필요를 충족하기 위한 대응하는 중요도를 초과할 때, 전기적 특성 및 기계적 특성 중 어느 하나가 충족될 것인지를 선택하는 것을 수반할 수도 있다.

마찬가지로, 예를 들어, 기계적 특성을 선택하는 것은 또한, 전기적 특성을 동시에 선택하는 것, 및 전기적 특성에 대한 특정 필요를 충족하는 것과 동시에 기계적 특성에 대한 특정 필요를 충족하는 것이 가능하지 않는 경우, 예컨대, 특성들 중 하나의 특성의 특정 필요를 충족하기 위한 중요도가 특성들의 다른 특성의 특정 필요를 충족하기 위한 대응하는 중요도를 초과할 때, 전기적 특성 및 기계적 특성 중 어느 하나가 충족될 것인지를 선택하는 것을 수반할 수도 있다.

통상적으로, 그 부분 및 후속 부분의 물리적 특성들은 실질적으로 재료 고유의 특성들이다. 예를 들어, 그 부분 및 후속 부분의 전기적 특성 및 기계적 특성은 실질적으로 재료 고유의 특성들이다. 재료 고유의 특성들은 관련 재료 단독으로 정의 및/또는 획득된다. 하지만, 후속 부분의 형상은 당해 물리적 특성에, 예컨대, 전기적 특성 및/또는 기계적 특성에 기여할 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 후속 부분을 형성하는 것은 통상적으로, 재료를 제공 또는 적용하는 것, 및 재료를 세팅 또는 경화하는 것을 포함한다. 예를 들어, 통상적인 적층 제조 기법에 있어서, 재료는 레이저 광 방출에 의해 적용되고 경화된다.

그 부분과 적어도 부분적으로 접촉하는 후속 부분은 그 부분의 적어도 하나의 표면을 커버하는 후속 부분을 포함할 수도 있다. 더욱이, 그 부분과 적어도 부분적으로 접촉하는 후속 부분은 그 부분을 둘러싸거나, 그 부분을 그 전체적으로 커버하거나 또는 그 부분을 감싸는 후속 부분을 포함할 수도 있다. 이러한 맥락에서, "부분적으로" 는 통상적으로, 적어도 부분적 영역이 관련되어 있음을, 즉, 후속 부분이 그 부분의 적어도 부분적 영역에서 그 부분과 접촉하고 있음을 의미한다.

실시형태들에 있어서, 전기적 특성은 유전율, 전기 전도율, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 전기적 특성으로서 유전율은, 전기 필드가 전력 디바이스에 인가될 때에 전력 디바이스의 타겟 거동이 달성되도록 선택될 수도 있다. 특히, 타겟 거동은 능동 필드 그레이딩, 필드 제어 또는 필드 형상화와 같은 전기 필드 그레이딩 거동을 포함할 수도 있다.

비한정적인 예로서, 전력 디바이스는 조립된 상태에 있을 때 접지면 상에 위치될 절연부를 포함하고, 곡률과 같은 절연부의 특정 형상으로 인해 절연부의 표면에 높은 전기 필드 강도들이 존재할 수도 있다. 특히, HVDC 어플리케이션들에 있어서, 높은 전기 필드 강도는 이 영역에서의 전하 축적을 야기할 수도 있으며, 이는 전력 디바이스의 동작에 악영향을 미칠 수도 있다.

종래의 솔루션들에 있어서, 개별 필드 제어 디바이스들이 전력 디바이스의 전극 영역에 장착되거나 또는 전력 디바이스가 캐스팅 또는 몰딩 프로세스에 적합하게 될 순서로 개방 구조 (액세스 가능한 구조) 를 가질 필요가 있기 때문에, 필드 제어 특징은 형상 및 복잡도에 있어서 제한된다. 따라서, 종래의 솔루션들에 있어서, 필드 제어 특징은 종래의 전력 디바이스의 상기 기술된 절연부들에서 달성가능하지 않을 수도 있다.

본 명세서에서 기술된 솔루션들에 있어서, 필드 제어 특징은 적층 제조 기법에 의해 형성되는 후속 부분으로서 제공될 수도 있다. 필드 제어 특징을 획득하기 위하여 (전기 필드 그레이딩을 달성하기 위하여), 복수의 후속 부분들이 형성될 수도 있으며, 여기서, 상이한 전기 유전율들을 갖는 재료들은 상이한 후속 부분들에 대해 다양한 농도들로 사용된다.

실시형태들에 있어서, 기계적 특성은 기계적 강도, 탄성, 가소성, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 경우에 있어서, 복수의 후속 부분들이 형성될 수도 있으며, 여기서, 상이한 탄성들을 갖는 재료들이 상이한 후속 부분들에 대해 다양한 농도들로 사용된다.

실시형태들에 있어서, 물리적 특성은 열적 특성을 포함하고, 열적 특성은 열 전도율, 열 투과율, 열 용량, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 경우에 있어서, 복수의 후속 부분들이 형성될 수도 있으며, 여기서, 상이한 열 전도율들을 갖는 재료들이 상이한 후속 부분들에 대해 다양한 농도들로 사용된다.

실시형태들에 있어서, 그 부분 및 후속 부분은 절연 부분들이다. 하지만, 그 부분은 또한, 전극과 같은 전기 전도체일 수도 있으며, 후속 부분은 절연 부분이다. 전기 전도체는 종래의 생성 프로세스로 형성될 수도 있다. 실시형태들에 있어서, 그 부분은 적층 제조 기법에 의하여 형성된다. 그 부분이 전극과 같은 전기 전도체인 경우, 전기 전도체는 선택적 레이저 소결 또는 직접 금속 레이저 소결과 같은 금속 프로세싱을 수반하는 적층 제조 기법으로 생성될 수도 있다. 그 부분으로서 전기 전도체를 획득하기 위한 적층 제조 기법, 및 후속 부분으로서 절연 부분을 획득하기 위한 적층 제조 기법은 금속 프로세싱과 중합체 프로세싱을 결합할 수도 있다.

실시형태들에 있어서, 후속 부분의 물리적 특성의 선택 및 후속 부분의 형성을 수행하는 것은 적어도 2개의 상이한 재료들의 재료 비율 또는 재료 농도를, 그 부분의 형성으로부터 적어도 하나의 후속 부분의 형성까지 변경하는 것을 포함하며, 2개의 상이한 재료들은 개별 물리적 특성에서의 차이들을 나타낸다.

그 변경은 급격한 변화, 연속적인 변화, 또는 점진적인 변화를 포함할 수도 있다. 연속적인 변화 또는 점진적인 변화에 의해, 개별 물리적 특성의 구배를 갖는 후속 부분이 획득가능할 수도 있다.

예를 들어, 후속 부분의 전기적 특성의 선택 및 결정된 타겟 전기 필드 패턴에 따른 후속 부분의 형성을 수행하는 것은 적어도 2개의 상이한 재료들의 재료 비율 또는 재료 농도를, 그 부분의 형성으로부터 적어도 하나의 후속 부분의 형성까지 변경하는 것을 포함한다. 추가로, 예에 있어서, 부가적으로 또는 대안적으로, 후속 부분의 기계적 특성의 선택 및 타겟 기계적 강도의 결정된 공간 분포에 따른 후속 부분의 형성을 수행하는 것은 적어도 2개의 상이한 재료들의 재료 비율 또는 재료 농도를, 그 부분의 형성으로부터 적어도 하나의 후속 부분의 형성까지 변경하는 것을 포함한다. 그 변경은 급격한 변화, 연속적인 변화, 또는 점진적인 변화를 포함할 수도 있다. 적어도 2개의 상이한 재료들은 통상적으로, 상이한 전기 유전율들, 상이한 전기 전도율들, 상이한 가요성들, 또는 이들의 조합을 갖는다.

실시형태들에 있어서, 그 방법은, 적층 제조 기법에 의하여, 다중의 후속 부분들을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서, 적어도 2개의 상이한 재료들의 재료 비율은 다중의 후속 부분들을 획득하기 위하여 변경되고, 특히 점진적으로 변경된다.

본 개시의 추가 양태에 따르면, 전력 디바이스가 제공된다. 전력 디바이스는 본 명세서에서 설명된 방법에 의해 획득가능하거나 획득된다.

실시형태들에 있어서, 전력 디바이스는 후속 부분들 중 하나 이상의 후속 부분들로서 형성된 전기 필드 그레이딩 부분을 포함하고, 전기 필드 그레이딩 부분은, 전력 디바이스가 전기 필드, 특히, HVAC 또는 HVDC 전기 필드와 같은 고 전압 필드를 받을 때, 전기 필드의 전기 필드 밀도를 완화하도록 구성된다. 전기 필드 그레이딩 부분은 일반적으로, 본 명세서에서 설명된 필드 그레이딩 특징에 대응하고, 이에 의해, 필드 그레이딩 또는 필드 제어 특성이 획득될 수도 있다.

실시형태들에 있어서, 전력 디바이스는 후속 부분들 중 하나 이상의 후속 부분들로서 형성된 탄성 이완 부분을 포함하고, 탄성 이완 부분은 외부에서 인가된 응력을 탄성 이완 부분의 소성 변형으로 전환하도록 구성된다.

본 개시의 또다른 양태에 따르면, 전력 디바이스의 용도가 제공된다. 전력 디바이스는 본 명세서에서 설명된 방법에 의해 획득가능하거나 획득된다. 그 용도는 전력 디바이스를, HVAC 또는 HVDC 장치에서, 특히 HVAC 또는 HVDC 스위치기어에서 또는 HVAC 또는 HVDC 회로 차단기에서 AC 또는 DC 절연체로서 사용하는 것을 포함한다.

본 개시의 또다른 양태에 따르면, 전력 디바이스의 다른 용도가 제공된다. 전력 디바이스는 본 명세서에서 설명된 방법에 의해 획득가능하거나 획득된다. 그 용도는 전력 디바이스를, HVAC 또는 HVDC 구조에서, 특히 HVAC 또는 HVDC 케이블 조인트에서 필드 그레이딩 디바이스로서 사용하는 것을 포함한다.

본 명세서에서 설명된 양태들, 특징들 및 실시형태들로, 절연 디바이스와 같은 전력 디바이스에는 맞춤형 기계적 및 전기적 특성들이 제공될 수도 있다. 특히, 종래의 몰딩 또는 캐스팅 프로세스와 비교할 때 생산 비용들이 저감될 수도 있다. 구체적으로, 몰드들이 필요없으며, 이는 빠른 프로토타이핑 및 전력 디바이스로의 빠른 변경들을 허용한다. 또한, (중공 구조들과 같은) 비교적 복잡한 형상들 및/또는 경량 형상들이 달성될 수 있다. 더욱이, 상이한 재료들이 단일 복합재로 결합될 수 있다.

본 개시의 실시형태들이 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a 내지 도 1c 는 본 개시의 실시형태들에 따른 전력 디바이스들의 개략 단면도들이다.
도 2 는 본 개시의 일 실시형태에 따른 전력 디바이스의 개략 사시도이다.
도 3 은 스위치기어 장치에 설치되는 본 개시의 일 실시형태에 따른 전력 디바이스의 개략 단면도이다.
도 4 는 케이블 조인트에 장착되는 본 개시의 일 실시형태에 따른 전력 디바이스의 개략 단면도이다.

도 1a 내지 도 1c 는, 각각, 전력 디바이스 (100) 의 개략 단면도이다. 도 1a 내지 도 1c 에 도시된 전력 디바이스들 (100) 에 공통되는 부분들은 단일 전력 디바이스들에 대해 한번 설명되고 반복되지 않는다. 전력 디바이스 (100) 는, 전도체 전극 (200) 이 양측으로부터 관통되고 고정되는 절연 베이스 보디 (base body) (50) 를 갖는다. 전극 (200) 은 예컨대, 금속 재료로 제조되고 고전압이 인가되며, 이는, 예컨대, 접지 전극 (도시 안됨) 에 관하여 전력 디바이스 (100) 의 절연 베이스 보디 (50) 에 의해 절연될 것이다. 접지 전극은, 예를 들어, 가스 절연형 스위치기어 (GIS) 컴파트먼트의 하우징의 부분이다. GIS 의 예시적인 경우에 있어서, 전력 디바이스 (100) 는 일측으로부터 타측으로 기밀 (도면들에 있어서, 좌우 방향으로 기밀) 로 될 필요가 있다.

따라서, 본 명세서에 도시된 실시형태들에서의 전력 디바이스들 (100) 은 전극 (200) 을 기계적으로 지지하고, 접지와 위상 사이에 전기 절연 기능을 제공하고 (위상간 (phase-to-phase) 은 다른 타입들의 어플리케이션들에서도 또한 일반적임), GIS 어플리케이션에서의 기계적 내압 차이들을 제공한다.

도면들에 도시된 실시형태들에 있어서, 절연 베이스 보디 (50) 는 전력 디바이스 (100) 의 부분으로서 형성된다. 부분 (50) 은, 예를 들어, 3D 프린팅과 같은 적층 제조 기법에 의해, 예컨대, 배트 광중합, 재료 압출, 재료 분사, 분말 기반 3D 프린팅, 또는 적층 기반 3D 프린팅에 의해, 형성될 수도 있다. 부분 (50) 은 전기적 특성, 기계적 특성, 열적 특성, 자기적 특성 중 하나 이상의 정의된 물리적 특성들을 나타낼 수도 있다. 물리적 특성들 중 하나 이상은 실질적으로 균일할 수도 있고; 대안적으로, 물리적 특성들 중 하나 이상은 부분 (50) 전반에 걸쳐 변할 수도 있으며, 예를 들어, 구배 거동을 나타낼 수도 있다. 통상적으로, 부분 (50) 의 구배 거동은 전극 (200) 의 진행 방향에 실질적으로 수직인 방향에 있다.

부가적으로, 전력 디바이스 (100) 의 전극 삽입물과 같은 전극 (200) 또는 전극 (200) 의 부분들이 또한, 분말 기반 3D 프린팅과 같이 금속 재료를 프로세싱하는데 적합한 적층 제조 기법에 의해 형성될 수도 있다. 전극 (200) 은 또한 통상적인 전극 형성 프로세스로 형성될 수도 있다.

도 1a 내지 도 1c 의 실시형태들의 각각에 있어서, 적어도 하나의 후속 부분 (51, 52, 53, 54) 이, 3D 프린팅과 같은 적층 제조 기법에 의하여, 예컨대, 배트 광중합, 재료 압출, 재료 분사, 분말 기반 3D 프린팅, 또는 적층 기반 3D 프린팅에 의해, 형성된다.

실시형태들에 있어서의 전력 디바이스들 (100) 은 주로 축 대칭이다. 따라서, 적층 제조는 회전 기판 (예컨대, 전극 삽입물과 같은 전극 (200) 의 부분) 을 제공하는 것, 및 회전 기판을 따라, 즉, 회전 축에 수직인 2개의 트랜슬레이터 방향들로, 3D 프린터 헤드를 이동시키는 것을 포함할 수도 있다. 이러한 방식으로, 부분들 (50, 51, 52, 53, 54) 이 형성될 수 있다. 하지만, 전력 디바이스들 (100) 은 축 대칭 형상 및 회전 기판을 수반하는 적층 제조 방법으로 한정되지 않는다.

부분들 (50, 51, 52, 53, 54) 중 하나의 부분이 완성되자마자, 다음에 형성될 부분은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 그 선행 부분을 참조하는 후속 부분이 된다. 후속 부분들 (51, 52, 53, 54) 중 임의의 후속 부분의 적층 제조 프로세스를 수행하기 전에, 개별 후속 부분 (51, 52, 53, 54) 의 전기적 특성 및 기계적 특성과 같은 물리적 특성이 선택된다. 물리적 특성은 (선행) 부분의 대응하는 물리적 특성과는 상이하도록 선택될 수도 있다. 일반적으로, 적어도 하나의 물리적 특성, 통상적으로, 전기적 특성 및 기계적 특성 중 적어도 하나는 그 개별 선행 부분으로부터 후속 부분으로 천이할 때 변경된다 (즉, 상이한 것으로 선택됨).

(선행) 부분의 물리적 특성이 반드시 균일할 필요는 없다. 예를 들어, 상기 언급된 바와 같이, 부분 (50) 의 물리적 특성은 구배 거동, 통상적으로, 전극에 실질적으로 수직인 방향으로의 구배 거동을 나타낼 수도 있다. 후속 부분 (51, 52, 53, 54) 의 개별 물리적 특성이 또한 구배 거동을 나타낼 수도 있으며, 즉, (선행) 부분 (50) 의 인접 영역에서의 개별 물리적 특성에 상이하도록 선택될 수도 있다.

도 1a 에 있어서, 절연 베이스 보디 (50) 상에서, 후속 부분 (51) 이 전력 디바이스 (100) 의 전체 반경 방향 (r 방향) 에 걸쳐 적용되었다. 선택함에 있어서, 예시적인 경우로서, 다중의 물리적 특성들, 예컨대, 전기적 및 기계적 특성들 양자 모두를 변경하도록 결정되었다. 이에 따른 예시적인 후속 부분 (51) 은 그 선행 부분 (50) 과는 상이하도록 선택된 전기적 및 기계적 특성들을 갖는다. 또한, 다른 예시적인 후속 부분 (51) 이 오직 그 선행 부분 (50) 과 비교하여 변경된 대응하는 특성만을 갖도록 오직 하나의 물리적 특성, 예컨대, 전기적 및 기계적 특성들 중 하나만을 변경하도록 결정될 수 있었다.

도 1b 에 있어서, 전력 디바이스 (100) 의 절연 베이스 보디 (50) 상에서, 후속 부분 (51) 이 반경 방향 (r) 으로의 부분에 적용되었고, 후속 부분 (52) 은 반경 방향 (r) 으로의 다른 부분에 적용되었다. 다시, 도 1a 를 참조하여 전술된 바와 같이, 후속 부분 (51) 은 그 선행 부분 (50) 과는 상이한 전기적 특성, 기계적 특성, 또는 이들 양자 모두와 같은 물리적 특성을 갖는다. 마찬가지로, 후속 부분 (52) 은 그 선행 부분 (51) 과는 상이한 전기적 특성, 기계적 특성, 또는 이들 양자 모두와 같은 대응하는 물리적 특성 또는 특성들을 갖는다.

도 1c 는 전력 디바이스 (100) 의 다른 예를 도시한다. 절연 베이스 보디 (50) 상에서, 후속 부분 (51) 이 반경 방향 (r) 으로의 부분에 적용되었다. 반경 방향으로의 다른 부분에 있어서, 후속 부분들 (52, 53) 의 z 방향으로의 적층이 적용되었다. 반경 방향으로의 다른 부분에 있어서, 후속 부분 (54) 이 적용되었다. 다시, 도 1a 를 참조하여 전술된 바와 같이, 후속 부분 (51) 은 그 선행 부분 (50) 과는 상이한 전기적 특성, 기계적 특성, 또는 이들 양자 모두와 같은 물리적 특성을 갖는다. 마찬가지로, 후속 부분 (52) 은 그 선행 부분 (51) 과는 상이한 대응하는 물리적 특성 또는 특성들, 예컨대, 전기적 특성, 기계적 특성, 또는 이들 양자 모두를 갖는다. 마찬가지로, 후속 부분 (53) 은 그 선행 부분 (52) 과는 상이한 대응하는 물리적 특성 또는 특성들, 예컨대, 전기적 특성, 기계적 특성, 또는 이들 양자 모두를 갖는다. 마찬가지로, 후속 부분 (54) 은 그 선행 부분 (53) 과는 상이한 대응하는 물리적 특성 또는 특성들, 예컨대, 전기적 특성, 기계적 특성, 또는 이들 양자 모두를 갖는다.

도 2 는 본 개시의 일 실시형태에 따른 전력 디바이스 (100) 의 개략 사시도를 도시한다. 전력 디바이스 (100) 는 절연 재료로 제조된 베이스 보디 (50) 를 가지며, 그 베이스 보디 (50) 는 전기 전도성 재료의 전극 삽입물 (200) 을 갖는다. 베이스 보디 (50) 상에서, 절연성 재료의 층 (51) 이 적용되었으며, 층 (51) 은 (선행 부분으로서 베이스 보디 (50) 를 갖는) 전력 디바이스의 후속 부분을 형성하고, 층 (51) 의 절연성 재료는 베이스 보디의 대응하는 물리적 특성과는 상이한 물리적 특성을 갖도록 선택된다. 예를 들어, 층 (51) 의 절연성 재료는, 베이스 보디 (50) 의 대응하는 전기적 특성과는 상이한 전기적 특성, 베이스 보디 (50) 의 대응하는 기계적 특성과는 상이한 기계적 특성, 또는 이들 양자 모두를 갖도록 선택된다.

도 3 은 가스 절연형 스위치기어 장치에 있어서 도 2 의 전력 디바이스 (100) 의 개략 단면도를 도시한다. 가스 절연형 스위치기어의 내부 전도성 지지 부분들 (220a, 220b) 은 전력 디바이스 (100) 의 전극 삽입물 (200) 에 부착된 전극을 지지하며, 전극은 고전압이다. 가스 절연형 스위치기어의 하우징 부분을 형성하는 외부 전도성 지지 부분들 (210a, 210b) 은 전력 디바이스 (100) 의 반경방향 외부 부분을 지지한다. 도 3 에서의 전력 디바이스 (100) 로부터 좌측 및 우측 영역은, 유리한 절연 거동을 달성하기 위하여 SF₆ 가스와 같은 절연 가스로 충진된다.

베이스 보디 (50) 의 전기적 특성들은 하우징 (210a, 210b) 에 관하여 전극 (200) 을 절연하기에 충분한 절연 거동을 갖는다. 층 (51) 의 전기적 특성들은 가스 절연형 스위치기어 장치 내부에 존재하는 전기 필드의 필드 그레이딩을 허용하도록 선택되었다. 일 예로서, 필드 그레이딩 특성들에 의해, 도 3 에서의 전기 필드 라인들 (E) 은 절연체 표면에서 종료하지 않아서, 특히 HVDC 어플리케이션들에서 전하들의 축적을 방지한다.

도 3 에 있어서, P 는 전력 디바이스 (100) 의 주 기계적 응력의 예시적인 경로를 나타낸다. 예시적인 힘 (F) 은 전력 디바이스 (100) 에 작용한다. 층들 (50 및 51) 의 기계적 특성들은, 관련된 재료들의 가요성들을 변경함으로써 전력 디바이스 (100) 의 기계적 그레이딩을 허용하도록 선택되었다. 이에 의해, 경로 (P) 를 따라 더 높은 전체 기계적 강도가 달성된다. 응력들이 상이한 재료들의 그러한 선택된 분포에 의해 감소될 수 있을 뿐 아니라; 외부로부터의 응력들이 거시적으로 소성 변형으로 전환되고 따라서 절연체 지지 구조로부터 제거될 수 있는 탄성 이완 구역들이 구현될 수도 있다.

도 4 는 고전압 DC 케이블 조인트와 같은 케이블 조인트 (400) 의 부분으로서 전력 디바이스 (450) 의 개략 단면도를 도시한다. 도 4 에 있어서, r 은 반경 방향을 나타내지만, z 는 축 방향을 나타낸다. 전력공급된 상태에 있어서, 케이블 전도체 (410) 및 케이블 커넥터 또는 편향기 (420) 는 고전압에 있지만, 스크린 (430) 은 접지 전위에 있다. 케이블 전도체 (410) 및 케이블 커넥터 (420) 는 축 방향 (z) 으로 서로 인접한다. 케이블 절연체 (445) 는 축 방향 (z) 으로 케이블 커넥터 (420) 까지 케이블 전도체 (410) 를 커버한다. 조인트 절연체 (440) 는 케이블 커넥터 (420) 의 영역으로부터 축 방향 (z) 으로 미리 결정된 거리까지 연장된다.

전력 디바이스 (450) 는 반경 방향 (r) 으로의 일측 상에서 각각 케이블 절연체 (445) 또는 케이블 커넥터 (420) 와 반경 방향 (r) 으로의 반대측 상에서 각각 스크린 (430) 또는 조인트 절연체 (440) 사이에 샌드위치된다. 도 4 의 실시형태에 있어서, 전력 디바이스 (450) 는 필드 그레이딩 엘리먼트 또는 필드 그레이딩 튜브로서 기능한다. 더욱이, 전력 디바이스 (450) 는 상당한 기계적 응력을 견뎌야 한다.

도 4 의 실시형태에 있어서, 케이블 조인트 (400) 에서의 전력 디바이스 (450) 의 주어진 기하학적 및 전기적 구성에 대해, 전기 필드의 타겟 공간 분포 (원하는 공간 분포) 가 결정된다. 마찬가지로, 케이블 조인트 (400) 에서의 전력 디바이스 (450) 의 주어진 구성에 대해, 기계적 강도의 타겟 공간 분포 (원하는 공간 분포) 가 결정된다.

전력 디바이스 (450) 는 전기 필드의 결정된 공간 분포에 따라 그리고 기계적 응력의 결정된 공간 분포에 따라 본 명세서에서 개시된 바와 같은 방법을 통해 제조된다. 예를 들어, 설치된 상태에서의 전력 디바이스 (450) 의 타겟 전기 필드 패턴 (원하는 전기 필드 패턴) 이, 예컨대, 시뮬레이션을 통해 결정된다. 마찬가지로, 예를 들어, 전력 디바이스 (450) 의 주 기계적 응력의 경로가, 예컨대, 시뮬레이션을 통해 결정된다.

전력 디바이스 (450) 에 대한 타겟 전기 필드 패턴을 준수하거나 순응하는 전도율 또는 유전율, 전기 전도율, 또는 이들의 조합과 같은 적어도 하나의 전기적 특성이 적층 제조 기법을 통해 제조 프로세스 동안 대응하는 위치에 대해 선택된다.

마찬가지로, 전력 디바이스 (450) 의 주 기계적 응력의 경로를 준수하거나 순응하는 기계적 강도, 탄성, 가소성, 또는 이들의 조합과 같은 적어도 하나의 기계적 특성이 적층 제조 기법을 통해 제조 프로세스 동안 대응하는 위치에 대해 선택된다.

이에 의해, 도 4 의 본 실시형태에 따른 전력 디바이스 (450), 즉, 케이블 조인트 (400) 에 대한 필드 그레이딩 튜브 (450) 가 획득된다.

본 개시는 주로 실시형태들을 참조하여 설명되었지만, 당업자는 상기 설명된 것들과는 다른 실시형태들이 본 개시의 부분임을 용이하게 인식할 것이며, 여기서, 그 범위는 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (15)

1. 적층 제조 기법에 의해 후속으로 제조된 부분들로부터 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법으로서,
   상기 전력 디바이스의 물리적 특성의 타겟 공간 분포를 결정하는 단계로서, 상기 물리적 특성은 전기적 특성 및/또는 기계적 특성인, 상기 전력 디바이스의 물리적 특성의 타겟 공간 분포를 결정하는 단계;
   상기 전력 디바이스의 부분 (50) 을 형성하는 단계;
   상기 물리적 특성의 결정된 상기 공간 분포에 대응하는 상기 전력 디바이스의 후속 부분 (51) 의 물리적 특성을 선택하는 단계; 및
   상기 적층 제조 기법에 의하여, 상기 부분 (50) 과 적어도 부분적으로 접촉하도록 상기 후속 부분 (51) 을 형성하는 단계를 포함하는, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공간 분포는, 상기 전기적 특성의 경우, 주어진 전기적 환경에서 장착될 때 상기 전력 디바이스의 타겟 전기 필드 패턴 (E) 이고, 상기 기계적 특성의 경우, 상기 전력 디바이스의 타겟 기계적 강도인, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전기적 특성은 유전율, 전기 전도율, 또는 이들의 조합을 포함하고; 및/또는
   상기 기계적 특성은 기계적 강도, 탄성, 가소성, 또는 이들의 조합을 포함하는, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 부분 (50) 및 상기 후속 부분 (51) 은 절연 부분들인, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 후속 부분 (51) 의 선택된 상기 물리적 특성, 통상적으로, 상기 전기적 특성 및/또는 상기 기계적 특성은 실질적으로 재료 고유의 특성인, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 부분 (50) 은 적층 제조 기법에 의하여 형성되는, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전력 디바이스 (100, 450) 의 타겟 기계적 강도의 공간 분포를 결정하는 것은 상기 전력 디바이스 (100, 450) 의 주 기계적 응력의 경로 (P) 를 식별하는 것을 포함하고,
   상기 후속 부분 (51) 의 상기 기계적 특성의 선택 및 상기 후속 부분 (51) 의 형성을 수행하는 것은 주 기계적 응력의 식별된 상기 경로 (P) 를 따라 미리 결정된 강도 임계 값 이상인 기계적 강도를 갖는 후속 부분들 (51) 중 하나 이상을 형성하는 것을 포함하는, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 후속 부분 (51) 의 상기 전기적 특성의 선택 및 결정된 타겟 전기 필드 패턴 (E) 에 따른 상기 후속 부분의 형성을 수행하는 것은 적어도 2개의 상이한 재료들의 재료 비율을, 상기 부분 (50) 의 형성으로부터 적어도 하나의 후속 부분 (51) 의 형성까지 변경하는 것을 포함하는, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 후속 부분 (51) 의 상기 기계적 특성의 선택 및 타겟 기계적 강도의 결정된 공간 분포에 따른 상기 후속 부분 (51) 의 형성을 수행하는 것은 적어도 2개의 상이한 재료들의 재료 비율을, 상기 부분 (50) 의 형성으로부터 적어도 하나의 후속 부분 (51) 의 형성까지 변경하는 것을 포함하는, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적층 제조 기법에 의하여, 다중의 후속 부분들 (51, 52, 53, 54) 을 형성하는 단계를 포함하고,
    적어도 2개의 상이한 재료들의 재료 비율은, 상기 다중의 후속 부분들 (51, 52, 53, 54) 을 획득하기 위해 변경되고, 특히 점진적으로 변경되는, 전력 디바이스 (100, 450) 를 생성하기 위한 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 통해 획득가능한 전력 디바이스 (100, 450), 특히, 전기 절연체 디바이스 또는 전기 필드 그레이딩 디바이스.
12. 제 11 항에 있어서,
    후속 부분들 (51) 중 하나 이상의 후속 부분들로서 형성된 전기 필드 그레이딩 부분 (51) 을 포함하고,
    상기 전기 필드 그레이딩 부분 (51) 은, 상기 전력 디바이스가 전기 필드, 특히, HVAC 또는 HVDC 전기 필드를 받을 때, 상기 전기 필드의 전기 필드 밀도를 완화하도록 구성되는, 전력 디바이스 (100, 450).
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    후속 부분들 (51) 중 하나 이상의 후속 부분들로서 형성된 탄성 이완 부분 (51) 을 포함하고,
    상기 탄성 이완 부분 (51) 은 외부에서 인가된 응력을 상기 탄성 이완 부분 (51) 의 소성 변형으로 전환하도록 구성되는, 전력 디바이스 (100, 450).
14. HVAC 또는 HVDC 장치에서, 특히, HVAC 또는 HVDC 스위치기어 또는 HVAC 또는 HVDC 회로 차단기에서 AC 또는 DC 절연체로서 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 전력 디바이스 (100, 450) 의 용도.
15. HVAC 또는 HVDC 구조에서, 특히, HVAC 또는 HVDC 케이블 조인트에서 필드 그레이딩 디바이스로서 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 전력 디바이스 (100, 450) 의 용도.

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