Sensor에있어서 M.I CABLE이란무엇인가? 배길호 / 한다솜계기 M.I CABLE(Mineral Insulating Cable) CABLE이라고하면우선우리가흔히사용하고있는전기선을연상한다. CABLE의구조는어떤전기적기능을갖는소선( 도체) 이있고이소선이전기적으로절연되도록절연재로피복시켰다. 그절연재는기계적, 열적, 전기적문제로부터보호할수있는용도의재료로피복(SHEATHED) 되어있다. 이 CABLE 구조는사용용도에따라여러가지재료의, 형태로설계 제작된다. 예를들면, 가장흔하게사용하는전력선에서소선은일반동선이고동선을감싸는절연재는보통용도로는일반 PVC 이고, 내열용으로는 SILICONE, 불소수지등을사용한다. 그리고외각의 SHEATH 재는용도에따라천연고무재와 PVC, SILICONE, 불소수지등을내열용으로사용한다. (1) M.I CABLE의구조는일반 CABLE과비교하여구조와용도가비슷한데일반 CABLE 이사용할수없는악조건이나일반조건에서도긴수명이요구되는현장에적용된다. 그런뛰어난능력을갖도록하기위해 CABLE의보호외피는금속 (SHEATED METAL) 으로되어있다. (2) 절연재는무기절연재(MINERAL INSULATOR) 로소선간의소선과금속보호관간의절연을유지해주는역할을한다. M.I CABLE의굽힘이있을경우위치를고정시켜주며절연및내전압을유지하게하고고온에노출되었을때에도무기절연재의내열특성에의해절연이유지된다. 무기절연재(MINERAL INSULATOR) 의첫자를따서 M.I CABLE 이라고부른다. (3) 소선은일반 CABLE처럼여러가닥의선을집합시키는방식이아니라단일선으로심을구성한다. 소선의수는 1 선, 2선
SIZE를경제적으로제작하고 SHEATH외경을 4.8Diamm 이하의 CABLE은 DIES 공법으로가능하다. (Simplex), 3 선, 4 선(Duplex), 6 선(Triplex) 등용도에따라제작할수있으나일반 CABLE처럼많은극수의소선을구성하는데에는내부단면적의제약으로제조상어려움이있다( 그림 2). M.I CABLE 의제조방법 구조적특성상외피보호관인금속 SHEATH 관과기능소선과절연재가합체상태로조립하여 3소재를일체화시킨것이다. 그러므로금속 SHE ATH 내에절연재와소선을넣은후압축작업을통해금속 SHEATH관의외경을작게함으로서내부절연재의충진밀도를높인다. 외경이작아진만큼금속 SHEATH 관의길이는길어지고 SHEATH 관의두께와소선의구경도일정비율로감소한다. 1. 압축방법압축에는 SWAZING 작업방법, 여러단계의 SIZE의롤러를거처압축하는 REDUCER 방법, 금속선의신선용다이스와같은종류인다이스로 DRAWING을통해압축하는 3 가지방법이있다. 위의방법중 CABLE과같이 LONG 2. 제조공정 M.I CABLE의 제조공정은 1 소선세척, 금속 TUBE 내 부세척, 절연재 MgO 건조 2 소선과 MgO TUBE 조립 3 선단부압축작업 4 다이스통과및권취 5 DRAWING 6 열처리과 정을거쳐제작한다. 여기서, 1 소선, 금속 TUBE 내부는맨손으로만지거나기름등 주변의 불결한 환경에 노출시켜서는 안된 다. 절연재인 MgO는작업중에충분히건조 시켜야한다. 충분히 의의미는적정한온 도와시간을뜻하며 MgO 보관상황에따 라결정한다. 2 소선, 절연재, TUBE를조립하는 3소재 를조립하는공정은매우까다롭고어렵더 라도그과정에서절연재등을오염시켜서 는안된다. 3 선단부압축작업은현재의 TUBE SIZE 보다작은 DIES를통과해야하므로권취할 수있는길이만큼압축하여다이스공을통 과시키고권취시킨다. 4 DRAWING 은정속도로하며, 감면율은 SHEATH 재료에따라다르다. 5 냉간 DRAWING 과정을반복하면경도 가높아지는데, 경도 HV340 정도가되면 CABLE 자체가끊어지고내부의소선이단 선되는경우가생긴다. 일반적으로소둔, 열처리는 HV320 정도에서하는데, 방식은열처리로목적에따라다양할수있으나 SHEATH 재료가스테인리스강계통은약 1100, Cu 계통약 700 에서처리한다. 설계단계에서 SHEATH 재와소선재의 용융점(MELTING POINT) 을고려해야열
처리공정에서문제가생기지않는다. 열처리후보통경도는240 정도가된다. M.I CABLE 의설계시고려사항 HEATER, 열전대, 전력선등종류에따라세부적으로개념을달리하여접근해야하지만, 여기서는통상적인것을취급하여지루한설명을피한다. 근본적인기술은 SHEATH 재인금속 TUBE 와무기절연재및기능을갖는소선, 3소재를합체한신선을통해일체화한것으로다음설계요건을갖는다. 3. 3소재의조합과관련한설계 SHEATH 재와소선, MgO의재료특성상조립구조특성에따라 CONDUCTANCE가결정되어 M.I. CABLE 의특성을결정한다. (1) SHEATH재와소선간의 CONDUCTANCE 는, 소선 : (1) b 소선 : (2) SHEATH 재 : (3) a 와 b( 다른재질일경우) 간의 Conductance 는, 1. 최종감면상태에서의요구규격 (1) SHEATH 외경(D) 의 최종 감면율 : 40% 이상 ( 절연재의충진도보장) (2) SHEATH 의두께 (t) : t/d 의 10% 이 상 (3) 소선의굵기 (d) : d/d의 10% 이상 2. SHEATH 외경이 50% 감면시최초상태 에서부품설계 (1) SHEATH 두께(t) : 최종감면시 25% 감소 (2) 소선경(d) : MgO와소선 TUBE 내경 간에 40% 감소 b와 SHEATH 간의 CONDUCTANCE는 (4) (5) a와 SHEATH간의 CONDUCTANCE는 G ₃(K) - G ₂(K) 여기서, d ₁= SHEATH 내경 [Cm] d ₂= SHEATH 외경 [Cm] d ₃= 소선의중심간격거리 [Cm]
dw = 소선경 (dw << d ₁) [Cm] L(K) = SEGMENT 의길이[Cm] ρa(k) = a 축의비저항 [ ΩㆍCm] ρb(k) = b 축의비저항 [ ΩㆍCm] ρs(k) = SHEATH 의비저항[ ΩㆍCm] ρi(k) = 절연물의비저항 [ ΩㆍCm] ρ는 SEGMENT 의온도 ( 입력회로 MODE 온도를단순평균한것) 과관계가있다( 그림5). (2) 시스열전대구성재의물성표온도의관련된 PROGRAM 중에서설정한물성치로서문헌의조사결과를아래설명한다. 1 비저항 a. 소선 ρa =P(1)+P(2)T+P(3)T²[ ΩㆍCm] ρb =P(4)+P(5)T+P(6)T²[ ΩㆍCm] 여기서, 2 SHEATH 재료는 ρs=p(7)+p(8)+t+p(9)t²+p(10)t³[ ΩㆍCm] KP KN Pt NCH-W1 Ni Cu sus 304 Inc 600 Pt Cu 빠진곳은조사및계산하여얻을것 3 절연재는 P(1) P(4) P(2) P(5) Ω cm10-6 Ω cm/deg10 7.022 2.66 2.993 4.55 0.983 3.92 12.5 0.96 6.70 0.153 4.20 P(3) P(6) ρi =P(11)ExP[P(12)T]+P(13)ExP[P(14) T][ ΩㆍCm] (2) 열기전력(Pt 기준) 1 열전대소선 emf. a=tx[p(15) + P(16)T + P(17)T2] ( μv) emf. b=tx[p(18) + P(19)T + P(20)T2] -8 Ω cm/deg 2 10-11 -0.395-1.441-0.579 P(7) P(8) P(9) P(10) Ω cm10-6 -8 Ω cm/deg10 6.98 10.2 0.983 0.153 9.31 1.78 3.92 4.20 Ω cm/deg -5.26-0.16-0.579 2 10-11 Ω cm/deg 2 10-14 2.03-0.244 0 ( μv) 2 SHEATH 재료 emf. c=tx[p(21) + P(22)T + P(23)T2] ( μv) M.I CABLE 의용도 M.I CABLE은기능소선재료에따라용도가결정된다. 기능소선이열전대소선이면 SHEATH 열전대가, 전열선이면 SHEATH HEATER 가된다. 그리고 Ni 또는Cu선을쓰면전력통신CABLE 이된다. 다음은기능소선에따른 M.I CABLE의용도를요약했다. M.I CABLE이일반의 CABLE과다른점은내진동성에따른내구성이있는금속보호관재와무기절연재의내열성으로고온중에절연저항이유지될수있고형체를임의의모양으로구부려가공할수있는강력한특성이있다. 그런조건때문에고온의열악한환경속에서많이적용하고있다 1. M.I.CABLE의재료선택 (1) 절연재 M.I. CABLE에서무기절연재는주로마그네시아를사용한다. 마그네시아는용도에따라순도가다른데최고로높은순도는 99.7%( 특수 M.I CABLE) 정도되며, 일반적으로유통되고있는 M.I CAB LE은 96%~98% 선일반 ( M.I CABLE) 이다. 순도에따라가격차이가크고특히 M.I. CABLE 제조원가구성비에서마그네시아가 70% 를차지함으로써그영향이크다. 일반 M.I. CABLE은상온에서수분제거를잘하여절연이 MΩ되어도 700~800 에서는 30 MΩ이하로떨어지게된다. 이는고온에서절연특성이저하되어 SHUNNT ERROR 가발생되기때문이다. 이 SHUNNT ERROR는열전대의경우측온접점에서발생된열기전력이 + 선에서 -선으로 LEACK 되어생기는오차다.
표1. 기능소선에따른M.I CABLE 의용도 서는별도규정이없다. 일본의경우 MAKER 별로조사한결과 이는전력 CABLE, HEATING CABLE 에 10% 정도에서제작되고있다. 무기결연재의 충 분류소선 SHEATH 용도전밀도는 ASTM에 Cable 서 2.3g/Cm3 정도 R, S, B, N, K, J, T, Inc 시즈열전대용 E Sus316L (KS C1615) 를규정하는데, 이 T/C R, S 열전대용밀도가감면한다고 Cu, Alloy #11 Cu 보상도선 (KS C1609) 한없이올라가는것 Ni80, Cr20(NCH) Inc 600 Micro heater 은아니다. 소선은 Sus 316 (700 heating) 안전한범위내에서 Inc 825 Heater K-70(Fe-Ni) Inc 600 높을수록좋으며 PTC HEATER Sus 316 충전밀도가높은 (500 정온용) Inc 825 M.I CABLE 경우는 Inc 600 Long Size Heating SHEATH 외경의변 Cu-Ni Sus 316 Cable(Snow Melting, 형에따라소선도 Cu 온돌용 ) Inc 600 변형되어서서로간 heater의 cold section Ni Sus 316 에위치를움직이지 Eletric Lead Inc 825 않아전기적으로절 Cable heater의 cold section Cu Cu 연구조가유지된다. Lead 무기절연재중 서도전압이인가된상태에서생기는문제로설계시유의할사항이다. 그래서항공기, 원자력분야에서는무기절연재의순도를 99.6% 이상으로규격화하고있다. (2) SHEATH재 SHEATH 재는고온과환경조건에따라재질을선택한다. 내열, 내화학특성에따른재료특성표는자료가많아서따로설명하지않겠다. 고온, 열악한환경에서는그에맞는 TUBE 를선택한다. SHEATH 재인금속 TUBE가 WELDING한 SEAM TUBE인지 SEAMLESS TUBE인지에따라그견디는정도가다르다. 두가지의종류 TUBE는가격차이가커서일반적으로 WELDING상태의 SEAM TUBE로된 M.I CABLE이유통되고있다. 특수용도에서는 SEAMLESS TUBE를사용한 M.I CABLE을주문하여사용해야된다. SHEATH의두께는 SHEATH 열전대의경우외경의 15% 이상으로규정하고있으나 MICRO HEATER에 MgO의경우습기에 노출되어습기가침투된경우길이가짧으 면건조하여쉽게처리할수있으나길이가 30M 이상되는 LONG SIZE는 여간 해서 제거되지않는다. 이론적으로 400 정도에 서이탈된다고하나실제에서는쉽지가않 다. 두가지의종류 TUBE는가격적으로차 이가많아일반적으로 WELDING한 SEAM TUBE로된 M.I CABLE 이유통되고있다. 특수용도에서는 SEAMLESS TUBE를사 용한 M.I CABLE을주문하여사용해야한 다. SHEATH의 두께는 SHEATH 열전대의 경우외경의 15% 이상으로규정하고있으 나 MICRO HEATER에서는별도규정이없 다. 일본의경우 MAKER 별도조사한결과 10% 정도에서제작되고있다. (3) 소선
1 열전대소선은열전대의경우 SHEATH 재의열 처리온도조건과열전대소선의열처리소 선과절충된온도에서처리해야하는데, 반 복열처리를하는과정에서소선의피로도, GRAIN 성장등으로정밀도에제약을받기 SHEATH의내경간간격에따른내전압문제, 소선의단면적과통과시키는전류밀도를감안해서결정한다. 통신선은 NOISE 차폐를위한두극의소선의형태가 TWIST 형으로진행되도록제작한것과내부에절연층을두고또하나의SHEATH TUBE가 때문이다. 또한임의온도대역에서수명을갖고있어야하므로소선경은 SHEATH 외경의 15% 선이상으로규정되어있다. 2 HEATER HEATER 는단위저항 (R0 = Ω/M) 이열 선의 경에 따라 크게 변하므로 HEATER 용량에따라다를수밖에없다. 그러나소 선이과도하게가늘면좋지않다. 전열선의굵기가굵을수록수명이오래 가지만 SHEATH의재질과외경을무시하 고규격을만들수는없다. HEATER의전 열선은 M.I CABLE의길이에따라전열선 의재질을니크롬선또는 Cu-Ni 선으로구 별선택한다. 3 통신선, 전력선 M.I CALBE이 300 이하에서노출되는 경우에는소선을 Cu 선으로사용한다. 그러 나 1200 의불꽃에노출될경우에는 Ni 선을 사용하고 그 굵기는 소선과 소선간, 내장되는특수형이있다( 그림 7). 결론 M.I CABLE 을간단하게설명하였다. 일단 M.I CABLE의개론을가볍게취급한것으로보아두면좋겠다. M.I CABLE은열전대용으로는국내열전대제조업체에서수입품을많이사용하고있으며, HEAT TRACING용으로 M.I HEATER도전설회사를통해많이사용하고있다. HEATER CABLE 과전력, 통신 CABLE은아직까지국내생산이처음이다보니알려지지않은점과희소한품목이라설계시쉽게고려하지않고있다. HEATER 를일본산업계에서 MICRO HEATER라고칭하는데 SHEATH경이 Φ1mm에서 Φ 4.8mm 까지이며고온용으로사용된다. 반도체, 항공기고도계, 진공로분야에서특수하게사용되고있으며미국산업계에서
는 M.I HEATER는보통 Φ4.8mm로 70M, 100M 단위의길이로 SNOW MELTING 바닥난방용으로사용하는 HEATER로사용하고있다. 그러므로 SHEATH 재, 전열선의종류나제품제작, 설계방향이많이다르다. M.I CABLE을분야별로구체적으로들어가는것과완제품으로조립공정을소개하려면다음에기회를봐야할것같다. 이상본고에서는 M.I CABLE에대한개요와제조방법및설계시의고려사항과용도등에대해서대략적으로기술하여보았다.