特許 7511502 モールド受配電機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-27

(45)【発行日】2024-07-05

(54)【発明の名称】モールド受配電機器

(51)【国際特許分類】

   H01F 41/12 20060101AFI20240628BHJP

   H01F 30/12 20060101ALI20240628BHJP

【ＦＩ】

H01F41/12 Z

H01F41/12 A

H01F30/12 H

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021021342

(22)【出願日】2021-02-12

(65)【公開番号】P2022123794

(43)【公開日】2022-08-24

【審査請求日】2023-05-12

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】大嶽 敦

(72)【発明者】

【氏名】田村 幸三

【審査官】古河 雅輝

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１９７１２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０４６２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１１１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１５８０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３３５７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－０７８０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３３２７０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ２７／００－２７／０６

Ｈ０１Ｆ ２７／２８

Ｈ０１Ｆ ２７／３２

Ｈ０１Ｆ ３０／００－３８／１２

Ｈ０１Ｆ ３８／１６

Ｈ０１Ｆ ４１／００－４１／０４

Ｈ０１Ｆ ４１／０８

Ｈ０１Ｆ ４１／１０－４１／１２

Ｈ０１Ｈ ９／３０－ ９／５２

Ｈ０１Ｈ ３３／００－３３／５９

Ｈ０１Ｈ ３６／００－３６／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モールド絶縁層を有するモールド受配電機器であって、
金属部材からなる電極を有し、
前記モールド絶縁層の内部に該モールド絶縁層と異なる第二の絶縁層を有し、
前記第二の絶縁層の一部が前記金属部材に直接あるいは間接的に接続され、
前記第二の絶縁層は前記モールド受配電機器の長手方向に延在するものであり、
前記モールド受配電機器はモールド真空遮断器であり、
前記第二の絶縁層は、前記金属部材と接続された側の反対側に向かって広がる形状を有することを特徴とするモールド受配電機器。

【請求項2】

請求項１に記載のモールド受配電機器において、
前記第二の絶縁層は、孔を有していることを特徴とするモールド受配電機器。

【請求項3】

請求項１に記載のモールド受配電機器において、
前記第二の絶縁層は、前記金属部材またはその他の部材の表面に接していることを特徴とするモールド受配電機器。

【請求項4】

請求項１に記載のモールド受配電機器において、
前記第二の絶縁層は、誘電体であり、フィルム状の形状であることを特徴とするモールド受配電機器。

【請求項5】

請求項４に記載のモールド受配電機器において、
前記第二の絶縁層は、アラミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ノーメックス紙、ポリプロピン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、あるいはこの組み合わせであることを特徴とするモールド受配電機器。

【請求項6】

請求項４に記載のモールド受配電機器において、
前記第二の絶縁層は、あらかじめ表面接着性を向上させる処理をされていることを特徴とするモールド受配電機器。

【請求項7】

請求項６に記載のモールド受配電機器において、
前記表面接着性を向上させる処理は、オゾン照射または大気圧プラズマによる表面酸化処理であることを特徴とするモールド受配電機器。

【請求項8】

請求項４に記載のモールド受配電機器において、
前記第二の絶縁層はヤング率として７ＧＰａ以上の強さを持つことを特徴とするモールド受配電機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は遮断器、開閉装置、変圧器などの受配電機器を内蔵するモールド機器に関する。

【背景技術】

【0002】

受配電機器においては、高電圧を扱うことから機器周辺の高電界から周囲を保護する必要がある。このための手段の一つとして、樹脂によるモールドが実施される。

【0003】

遮断器、変圧器といったモールド機器においては小型・軽量化が進行している。これに伴い、機器の配線や部品の高密度化、絶縁層の薄肉化が求められている。

【0004】

モールド樹脂として一般的に使われるエポキシ樹脂の硬化物は、耐熱性、接着性、耐薬品性、機械的強度などに優れており、静止器、遮断器、回転機といった電気機器のモールド樹脂として好ましく用いられる。しかしながら、エポキシ樹脂そのものは比較的粘度が高く、その硬化物は固くて脆い性質がある。これを改善するためにエポキシ樹脂に種々の添加剤を配合したモールド樹脂が開発されてきた。

【0005】

一方、モールド樹脂による絶縁性能を高める方法として特許文献１がある。特許文献１には、電界緩和シールドを用いて絶縁層内の熱応力を低減させることにより、絶縁性能の優れたモールド真空バルブを提供する点が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１１－４８９９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１は、電界緩和効果で樹脂などの絶縁物に対する熱応力などの負荷を弱めるものであるが、絶縁物の絶縁耐圧の基本的な向上については考慮されていない。

【0008】

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、その目的は、小形化と高絶縁耐圧化が可能なモールド受配電機器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、その一部を挙げるならば、モールド絶縁層を有するモールド受配電機器であって、金属部材からなる電極を有し、モールド絶縁層の内部にモールド絶縁層と異なる第二の絶縁層を有し、第二の絶縁層の一部が金属部材に直接あるいは間接的に接続され、第二の絶縁層はモールド受配電機器の長手方向に延在する構成とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、小形化と高絶縁耐圧化が可能なモールド受配電機器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１におけるモールド真空遮断器の断面図である。

【図2】実施例３における第二の絶縁層の外観図である。

【図3A】実施例４における真空遮断器本体部分の断面図である。

【図3B】実施例４における他の真空遮断器本体部分の断面図である。

【図3C】実施例４における他の真空遮断器本体部分の断面図である。

【図4】実施例７における第二の絶縁層の素材のヤング率を説明する図である。

【図5】実施例８におけるモールド変圧器の断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0013】

本実施例では、モールド受配電機器の１例としてモールド真空遮断器を用いて説明する。

【0014】

図１は、本実施例におけるモールド真空遮断器の断面図である。図１において、モールド真空遮断器は、電極１１、電界緩和シールド１２、破線枠で囲んだ真空遮断器本体１３、第一の絶縁層であるモールド樹脂１４、第二の絶縁層１５からなる。

【0015】

第二の絶縁層１５はフィルム状の形状であり、金属部材からなる電極１１に接続される。また、第二の絶縁層１５は、モールド真空遮断器の長手方向に沿う形で延伸されている。これは、高電界部はごく限られた部位ではあるが、その部分だけ局所的に保護しても沿面など弱点があるとそこを破壊していく可能性があるためであり、その防止措置である。

【0016】

モールド樹脂１４はスチレンーフェニルマレイミドをわずかに含む、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、および酸無水物、シリカ系フィラーから構成されている。すなわち、本実施例に用いるモールド樹脂はエポキシ樹脂に加え、それらを変成した樹脂も含む。樹脂の改良のために変成することはしばしば実施されることであり、特に本実施例ではモールド（主にエポキシ）樹脂とその硬化剤である酸無水物に加え、特徴的なものとしてスチレン、フェニルマレイミドが加えられる。これらは低粘度化と靭性向上に寄与する。また、高熱伝導化と低線膨張率化に寄与する結晶質シリカ、コアシェルゴム粒子を複合化し高靭性化を意図したモールド樹脂を構成する。

【0017】

製造の際には、図１の上部から真空下（２００Ｐａ程度）で少しずつモールド樹脂が流し込まれていく。この際、第二の絶縁層１５は後に述べる通り、できるだけハリが良いほうがよく、よじれたりねじれたりすることのない、ヤング率の高いものが望ましい。

【0018】

真空状態で上部から注がれたエポキシ樹脂（硬化前）は型に沿って上昇していき、機器の上部まできた段階で注入が停止される。内部は真空状態に保たれているから、モールド樹脂を注ぐ際に発生した泡は上部に上昇して消える。しかし、すべての泡を完全に消去することは極めて難しく、どうしても機器内部に少量の泡が含まれた状態となる。このため、モールド樹脂は本来持つ性能より低い、２０－３０ｋＶ／ｍｍ程度の耐圧性能を示すことになる。このように、モールド樹脂は複雑な形状をした機器の隅々までしみこんで欠陥を埋め込む作用があるが、その一方でモールド自体に泡などの欠陥を抱き込みやすい。

【0019】

他方で、第二の絶縁層１５として誘電体フィルムの形態とすることで、フィルムはその製造方法からして、内部にボイド等の欠陥が極めて少ない有機絶縁体を形成することが可能である。

【0020】

そこで、モールド樹脂１４と第二の絶縁層１５を合わせて複合構造とすることで、絶縁耐力を大幅に引き上げることが可能である。すなわち、機器の特に電界が高い部分を保護するように第二の絶縁層１５として誘電体フィルムを挿入することにより絶縁破壊を食い止めることが可能となる。

【0021】

なお、本実施例において、第二の絶縁層１５の役割は絶縁耐圧を高めることであって、電界を緩和することが主機能ではない。したがって、第二の絶縁層１５は金属ではなく誘電体であることによってはじめてその機能が発揮される。

【0022】

また、検討結果によれば、第二の絶縁層として、約１００μｍのポリエチレンナフタレートと上記に述べたフェニルマレイミドースチレンを含むエポキシとの複合体により、エポキシのみでは３０ｋＶ／ｍｍであった耐圧性能を５０ｋＶ／ｍｍ近くまで向上させることが可能である。

【0023】

また、第二の絶縁層は安価なポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等を用いることができる。

【0024】

このように、本実施例によれば、受配電機器の特に高電界部にモールド樹脂と第二の絶縁層を合わせた複合構造を適用することにより、機器の高耐圧化と小形化が可能となり、機器自体の耐圧や大きさを変える自由度が高くなるという効果がある。

【実施例2】

【0025】

本実施例では、第二の絶縁層１５の接続角度について説明する。

【0026】

図１において、第二の絶縁層１５は、電極１１である金属部材側からその反対側に向かって広がる形状を有する。すなわち、第二の絶縁層１５は、機器中心部から外側に向かって広がる形状とすることが望ましい。また、その広がり角度については１°～５°程度が望ましい。

【0027】

モールド樹脂内部に形成された欠陥、すなわちボイドの原因、すなわち主たるものとして気泡は、物質に付着して、それを伝って上部に抜ける性質を持つ。したがって、物質を伝って移動する気泡を抜けやすくするために第二の絶縁層１５の接続に角度をつける。これによって、付着した気泡が傾きに沿って上昇し、最後には上部に抜け、モールド樹脂内部の気泡が内部に残留することを防ぐことが出来る。これによって機器の耐圧を維持・向上することが可能となる。

【実施例3】

【0028】

図２は、本実施例における第二の絶縁層１５の外観図である。図２に示すように、第二の絶縁層１５は円筒状のフィルム形状であり、電極１１である金属部材側からその反対側に向かって広がる形状を持ち、かつ、孔１６を有する。

【0029】

孔１６は、硬化前のモールド樹脂の注入時に発生するボイドを抜くためのものである。すなわち、上記に述べた通り、モールド樹脂内部の泡は接触した物質を伝って移動していく性質があるが、有孔の第二の絶縁層が存在することで、その穴を通って、泡が上昇していき、モールド樹脂内部の欠陥として残りにくい。なお、孔の数は樹脂の粘度、また設計事項による。

【0030】

このように、本実施例によれば、モールド内部に残留するボイド量を削減する効果がある。これにより、機器の耐圧を維持・向上することが可能となる。

【実施例4】

【0031】

上記の実施例では、第二の絶縁層１５を真空遮断器本体から離した状態で設置した場合について述べたが、本実施例では、電界強度の高い部分に直接、第二の絶縁層１５を接して配置する例について説明する。

【0032】

図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、本実施例におけるモールド真空遮断器の真空遮断器本体１３部分の断面図である。図３Ａ、３Ｂ、３Ｃにおいて、図１と同じ機能を有する構成は同じ符号を付しその説明は省略する。図３Ａ、３Ｂ、３Ｃにおいて、図１と異なる点は、第二の絶縁層１５の配置が異なる点である。なお、３２は機械部である。

【0033】

図３Ａにおいては、真空遮断器本体１３の角部の表面に接して円筒状の第二の絶縁層１５を配置している。また、図３Ｂにおいては、真空遮断器本体１３の電極接点部分近傍の周囲の表面に接して円筒状の第二の絶縁層１５を配置している。さらに、図３Ｃにおいては、機械部３２の周囲の表面に接して円筒状の第二の絶縁層１５を配置している。

【0034】

このように、第二の絶縁層１５は、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃにおいて、いずれも電界強度が高い金属部材またはその他の部材の表面に直接接して配置し、その外側をモールド樹脂で覆うことによって高い耐電圧構造を得ることができ、設計の自由度が増す。また、真空遮断器本体１３は機械的強度の弱い部分でもあるので、その補強と保護を兼ねて第二の絶縁層１５を活用することができる。

【実施例5】

【0035】

上記の実施例では、第二の絶縁層１５として１００μｍのポリエチレンナフタレートを使用した。しかしながら、用途に応じて第二の絶縁層１５が、アラミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ノーメックス紙、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどであってもよいし、あるいはこの組み合わせでもよい。

【0036】

これらは、製造性やコストを考慮して、それぞれ、機器の目的に沿って使い分けるのが望ましい。

【実施例6】

【0037】

上記の実施例では、第二の絶縁層１５として１００μｍのポリエチレンナフタレートを使用した。耐圧性能はエポキシ樹脂単体では３２ｋＶ／ｍｍであったが、ポリエチレンナフタレートを用いることで５０ｋＶ／ｍｍ近くまで向上する効果が得られた。ただし、表面の接着性を向上させる表面処理が必要であり、これを実施しない場合には耐圧の向上が見られなかった。

【0038】

第二の絶縁層は上記に述べたように様々な素材で可能である。このうち、表面の接着性がエポキシ樹脂とそれほど良好でないものも含まれる。そこで、あらかじめ、表面改質、すなわち表面の接着性を向上させる表面処理を実施することにより、エポキシ樹脂との接着性を向上させ、第二の絶縁層とエポキシ樹脂とのあいだに生ずる空隙をなくして絶縁耐圧を本来持っているものとすることが可能である。

【0039】

表面処理によってエポキシ樹脂との接着性を向上する場合、様々な表面処理方法が考えられるが、表面に酸素原子を取り込む表面酸化処理により、多くの素材はエポキシ樹脂との接着性が向上する。ただし、表面スパッタリングなど激しい条件では第二の絶縁層に、欠陥を生ずる。したがって、オゾン照射や大気圧プラズマなど、比較的穏和な環境での表面処理が望ましい。

【0040】

本実施例では、表面処理はオゾン照射処理を実施し、１００Ｗの紫外線（約１００ｎｍ）を３０分ほど照射して実施した。これにより、ポリエチレンナフタレートを第二の絶縁層１５として用い、オゾンによる表面処理により耐圧性能を３０％向上できた。

【0041】

また、エポキシ樹脂表面への接着については表面改質を実施することにより、接着剤が不要となる。

【実施例7】

【0042】

上記実施例では、第二の絶縁層１５としてポリエチレンナフタレートを用いた。理由として、ハリがあり（すなわちヤング率が高い）変形に強いためである。すなわち、モールドを実施する際に、第二の絶縁層がよれたり、ゆがんだりすることが十分に考えられ、これは機器の歩留まりに影響する。

【0043】

したがって、ヤング率の高い素材が好ましく、いくつかの素材について調査、検証したところ、ポリエチレンナフタレート以上のハリがあるフィルム素材でないと、よれが発生するなど製品歩留まりに影響しかねない結果が得られた。

【0044】

各種素材のヤング率について図４を用いて説明する。図４に示すように、ポリイミドは絶縁破壊耐性にすぐれるが、ヤング率が低くよれを起こしやすい。このような観点から、第二の絶縁層１５の素材として効果を発揮しやすいものとして、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレートがあげられる。また、耐圧の観点からはポリプロピレンなどでもよいが耐熱性が低い、表面接着性に劣るなどの問題から、表面処理に工夫が必要となる。

【0045】

独自の検討によれば７ＧＰａ以上のヤング率を持っている第二の絶縁層が望ましい。また、耐熱などの問題に応じて両者を使い分けていくことでより良好な効果が得られる。

【実施例8】

【0046】

上記実施例においては、モールド真空遮断器について述べた。本実施例では、同様の手法をモールド変圧器に応用した例について説明する。

【0047】

図５は、本実施例におけるモールド変圧器の断面を模式的に示した図である。図５は、特高（２２ｋＶ）程度以下で用いるモールド変圧器であって、モールド変圧器の主要構成要素として、５５はモールド樹脂、５６は一次コイル、５７はシールドコイル、５８は二次コイル、５１が第二の絶縁層である。

【0048】

第二の絶縁層５１の一部は図示しない金属部材からなる電極に接続され、固定されている。なお、このような固定は樹脂ねじなどを用いた間接的なものであってもよい。また、第二の絶縁層５１は、モールド変圧器の長手方向に沿う形で延伸されている。

【0049】

なお、第二の絶縁層５１はポリイミドもしくはポリエチレンナフタレート（表面を処理したもの）が望ましい。

【0050】

このように、本実施例によれば、上記実施例と同様に、モールド変圧器の絶縁部耐圧を向上させるとともに、小形・軽量設計を容易にする効果がある。

【0051】

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0052】

１１：電極、１２：電界緩和シールド、１３：真空遮断器本体、１４、５５：モールド樹脂、１５、５１：第二の絶縁層、１６：孔、３２：機械部、５６：一次コイル、５７：シールドコイル、５８：二次コイル

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】