(57)【要約】【課題】組成物を提供する。【解決手段】本組成物は、ほぼ均一なそれぞれの寸法を有しかつほぼ均一な配列として構成された多数の空隙（２２４）を形成した誘電体マトリックス材（２２２）を含む。空隙は、本組成物を均一な外部電界内に位置させた時に該空隙の少なくとも一部の表面に蓄積した電荷が、該空隙の少なくともその他の表面に蓄積した電荷と相互作用して、電界に対して横断方向の成分を有する方向にそれぞれの電荷の移動を生じさせるように構成することができる。マトリックス材によって形成された空隙の配列のそれぞれの空隙内に、中空粒子（２２６）を配置することができる。また、関連する装置も提供する。【選択図】      図２
2011030415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる電位に維持されるように構成された第１及び第２の導電性構成要素（１０２、１０４）と、
前記第１及び第２の導電性構成要素間に配置されかつ誘電体マトリックス材（１２２）を備えた絶縁層（１２０）と、を含み、
前記誘電体マトリックス材（１２２）が、ほぼ均一なそれぞれの寸法を有しかつほぼ均一な配列として構成された多数の空隙（１２４）を形成する、
装置。
【請求項２】
前記空隙（１２４）が、前記第１及び第２の導電性構成要素（１０２、１０４）によって確立されかつ該第１及び第２の導電性構成要素（１０２、１０４）間で延びる電界に対して斜めである最密方向を有するほぼ均一な配列として構成される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記マトリックス材（１２２）によって形成された前記空隙（１２４）の配列が、ほぼ球形の空隙、ほぼ回転楕円形の空隙、ほぼ卵形の空隙又はほぼエッグ形状の空隙の少なくとも１つを含む、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記第１の導電性構成要素（１０２）が、相導体を含み、また
前記第２の導電性構成要素（１０４）が、相導体又は接地導体の１つを含む、
請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記誘電体マトリックス材（１２２）が、熱硬化性物質、熱可塑性物質又はエラストマーの少なくとも１つを含む、請求項１記載の装置。
【請求項６】
隣り合う前記空隙（１２４）の間隔が、該空隙の平均直径よりも小さいか又はそれに等しい、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記空隙（１２４）が、約１００μｍ又はそれ以下のそれぞれの直径を有する、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記マトリックス材（２２２）によって形成された前記空隙の配列のそれぞれの空隙（２２４）内に配置された中空粒子（２２６）をさらに含む、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記マトリックス材（５２２）内に組入れた粒子（５２８）をさらに含む、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記絶縁材（５２０）が、前記マトリックス材（５２２）内に組入れたバリスタ粒子（５２８）をさらに含む、請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には絶縁組成物に関し、具体的には高電圧装置内で使用するための絶縁組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機及び発電機のような製品内で使用する従来型の絶縁材は一般的に、エナメル、テープ及び樹脂のような幾つかの構成要素を含んでいる。従って、従来型の絶縁材は、複雑なシステムとなりがちである。さらに、構成要素成分の各々は、異なる電気的、熱的及び機械的特性を示すことが期待されており、全体的な絶縁性能を予測するのを困難にしている。
【０００３】
監視されている主要な性能パラメータの１つは、部分放電の大きさである。部分放電は、絶縁材内の空隙、層剥離及び亀裂のような構造的欠陥部において発生する傾向が大きい。これらの欠陥部における部分放電は、周囲の無欠陥の絶縁材の誘電率と比較して空気の存在によりそれらの欠陥部において一層低下した誘電率によって引き起こされる。誘電率の一層の低下により、局所欠陥領域において一層高いインピーダンス及び電圧が生じ、従って部分放電が生じる。そのような部分放電の結果としては、酸化又は炭化による化学的性質の変化が生じ、この化学的性質の変化に続いて、絶縁材のトリーイング、亀裂発生及び最終的な壊滅的破壊が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，０９４，８２２号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、組成物を提供し、本組成物は、ほぼ均一なそれぞれの寸法を有しかつほぼ均一な配列（例えば、森下指数で少なくとも１の均一性レベルを有する）として構成された多数の空隙（例えば、ほぼ球形の空隙、ほぼ回転楕円形の空隙、ほぼ卵形の空隙及び／又はほぼエッグ形状の空隙）を形成した、例えば熱硬化性物質、熱可塑性物質又はエラストマーのような誘電体マトリックス材を含む。空隙は、本組成物を均一な外部電界内に位置させた時に該空隙の少なくとも一部の表面に蓄積した電荷が、該空隙の少なくともその他の表面に蓄積した電荷と相互作用して、電界に対して横断方向の成分を有する方向にそれぞれの電荷の移動を生じさせるように構成することができる。隣り合う空隙の間隔は、該空隙の平均直径よりも小さいか又はそれに等しくすることができ、平均直径は、約１００μｍ又はそれ以下とすることができる。
【０００６】
幾つかの実施形態では、中空粒子は、マトリックス材によって形成された空隙の配列のそれぞれの空隙内に配置することができる。例えば、中空粒子は、ガラス、ポリマー、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン及び／又は酸化亜鉛の中空球体とすることができる。その他の実施形態では、マトリックス材内に、例えばセラミック、バリスタ（例えば、ドープＺｎＯ又はドープＴｉＯ２）並びに／或いは無機誘電体粒子のような粒子を組入れることができる。
【０００７】
マトリックス材がバリスタ粒子を組入れた組成物の場合には、バリスタ粒子の濃度は、該組成物を増大した強度の均一な外部電界内に位置させた時に、空隙のいずれか１つを横切る電界が該空隙にわたって放電を生じるのに十分な強度に到達する前に、マトリックス材を透過する電界がバリスタ粒子における遷移電界強度に達するように構成することができる。バリスタ粒子は、該バリスタ粒子及びマトリックス材の約５重量％よりも小さいか又はそれに等しい濃度で該マトリックス材内に組入れることができる。
【０００８】
別の態様では、高電圧装置（例えば、発電機又は電動機）のような装置を提供する。本装置は、異なる電位に維持されるように構成された第１及び第２の導電性構成要素（例えば、それぞれ相導体並びに接地又は相導体）を含むことができる。第１及び第２の導電性構成要素間に、絶縁層を配置することができる。絶縁層は、ほぼ均一なそれぞれの寸法を有しかつほぼ均一な配列として構成された多数の空隙を形成した誘電体マトリックス材を含むことができる。この装置の空隙は、第１及び第２の導電性構成要素によって確立されかつ該第１及び第２の導電性構成要素間で延びる電界に対して斜めである最密方向を有するほぼ均一な配列として構成することができる。
【０００９】
幾つかの実施形態では、マトリックス材によって形成された空隙の配列のそれぞれの空隙内に、中空粒子を配置することができる。その他の実施形態では、マトリックス材内に、セラミック、バリスタ及び／又は無機誘電体粒子のような粒子を組入れることができる。
【００１０】
本発明のこれら及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】相導体及び接地導体間の絶縁層を示す、実例実施形態により構成された高電圧システムの一部分の拡大側面図。
【図２】図１において符号「２」を付した領域の拡大側面図。
【図３】図２において符号「３」を付した領域の拡大断面斜視図。
【図４】空隙の単位セルを明らかにするためにマトリックス材を透明にした状態における、図２に示す絶縁層の一部分の拡大斜視図。
【図５】図４の単位セルの側面図。
【図６】別の実例実施形態により構成された高電圧装置の側面図。
【図７】図６において符号「７」を付した領域の拡大側面図。
【図８】図７において符号「８」を付した領域の拡大断面斜視図。
【図９】空隙の単位セルを明らかにするためにマトリックス材を透明にした状態における、図７に示す絶縁層の一部分の拡大斜視図。
【図１０】図９の単位セルの側面図。
【図１１】孤立した空隙を備えかつ外部電界を受けている絶縁層の概略側面図。
【図１２】空隙の配列を備えかつ外部電界を受けている絶縁層の概略側面図。
【図１３】別の実例実施形態により構成された絶縁層の断面斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下において、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表している添付図面を参照しながら、本発明の実例実施形態を詳細に説明する。これらの実施形態の幾つかは、上記の及びその他の要求の幾つかに対処することができる。
【００１３】
図１を参照すると、ここには、実例実施形態により構成された電気システム１００の一部分を示している。システム１００は、相導体１０２のような第１の導電性構成要素及び接地導体１０４のような第２の導電性構成要素を含むことができる。相導体１０２は、高電圧供給源に接続することができる。発電機１００の作動時に、相導体１０２及び接地導体１０４は、異なる電位に維持することができる。例えば、相導体１０２は、励起源の作動により高電圧に保持することができ、他方、接地導体１０４は、接地電位に保持することができる。従って、相導体１０２及び接地導体１０４間に、電界Ｅを確立することができる。
【００１４】
図１及び図２を参照すると、絶縁層１２０は、導体１０２及び１０４間に配置し、それによってこれら２つの導体間にある量の電気絶縁を形成することができる。発電機１００の作動時に、導体１０２及び１０４によって確立された電界Ｅは、絶縁層１２０を透過して延びることができる。絶縁層１２０は、少なくとも部分的に誘電体材料で形成されたマトリックス１２２を含むことができる。例えば、誘電体マトリックス材には、熱硬化性物質（例えば、エポキシ、ポリエステル樹脂及び／又はこれに類するもの）、熱可塑性物質（例えば、商標ＬＥＸＡＮでＳＡＢＩＣ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ（マサチュセッツ州ピッツフィールド）によって販売されているポリカーボネート樹脂）、エラストマー（例えば、シリコーン）並びに／或いはそれらの混合物又は合成物を含むことができる。
【００１５】
図２〜図５を参照すると、マトリックス１２２は、その中に多数の空隙（ボイド）１２４を形成することができ、これらの空隙は、ほぼ均一なそれぞれの寸法になっている。例えば、マトリックス１２２は、エーロゲル又はキセロゲルを組入れることができる。空隙１２４は、ほぼ球形とすることができ、また全てが約１００μｍ（例えば、±１０％）の直径ｄを有することができ、或いはほぼ一様に１００μｍよりも小さい、例えば１０μｍ又は１μｍ程度の寸法の直径を有することができる。その他の実施形態では、空隙１２４は、ほぼ回転楕円形、卵形、エッグ形状及び／又はこれらに類するものとすることができる。その他の形状の空隙もまた、実施可能とすることができる。さらに、空隙１２４は、ほぼ均一な配列として構成することができる。この配列は、多様な規則正しい配列のいずれかのものとすることができ、また例えば、立方晶形（図３に示すような）、正方晶形、斜方晶系、単斜晶系、三斜晶系、六方晶系又は斜方面体晶系である単位セルｕの空間的反復で構成することができる。マトリックス１２２は、空隙配列の均一性のレベルが森下指数で少なくとも１であるように空隙１２４を形成することができる。
【００１６】
空隙の配列が全体として示す対称性のタイプに関係なく、配列は、それに沿って空隙１２４が最も接近した間隔となる「最密方向」を有することができる。空隙１２４の一部の配列（例えば、図２〜図５の構成）の場合には、得られた配列は、幾つかの最密方向ｃ１、ｃ２を有することができる。最密方向ｃ１、ｃ２に沿った隣り合う空隙１２４の間隔ｓは、該空隙の平均直径よりも小さいか又はそれに等しくする（つまり、ｓ≦ｄ）ことができる。幾つかの実施形態では、間隔ｓは、空隙の直径ｄよりも大幅に小さくすることができ、例えば、間隔ｓは、約０．３ｄに等しいか又はそれ以下とすることができる。
【００１７】
絶縁層１２０は、導体１０２及び１０４間に配置された時に、最密方向ｃ１、ｃ２の少なくとも１つが導体１０２及び１０４によって確立されかつ該導体１０２及び１０４間で延びる電界Ｅの方向に対して斜めになった状態で空隙配列が配向されるように構成することができる。これは、例えば絶縁層１２０の外側輪郭に対して空隙配列を適切に配向させることを保証することによって行うことができる。以下においてさらに説明するように、空隙を該空隙の最密方向が絶縁材及び空隙配列を透過する電界に対して斜めであるように構成することは、幾つかの状況において有用であることを実証することができる。幾つかの実施形態では、最密方向は、電界Ｅの方向に対して４５°又はそれ以下に配向することができる。
【００１８】
図６〜図１０を参照すると、電気システム２００の別の実施形態では、絶縁層２２０は、相導体２０２と別の相導体２０４との間に配置することができる。相導体２０２及び２０４は、作動時に異なる電位に保持して、電界が２つの相導体間でかつ絶縁層２２０を透過して延びるように構成することができる。絶縁層２２０は、それぞれの空隙２２４内に配置された中空球体２２６のような中空粒子を含み、各空隙２２４が中空球体２２６を含むようにすることができる。空隙２２４は、それぞれ直径ｄを有することができ、また球体２２６は、直径ｄとほぼ等しいそれぞれの外径ｄｓを有していて、各空隙に関連する未占拠空間が、本質的に球体の内部つまり中空部分によって形成される（つまり、固体材料によって占拠されていない空間領域が、本質的に全て球体内に配置される）ようにすることができる。中空球体２２６は、空隙２２４の直径ｄよりも大幅に小さい厚さｔを有することができる。従って、空隙２２４が中空球体２２６を含んでいる場合であっても含んでいない場合であっても、それら空隙の有効直径は、本質的に同じであり、つまりｄのままとすることができる。中空粒子／球体２２６は、非導電性とすることができ、またガラスマイクロスフェアのようなセノスフェアとすることができ、この場合には、絶縁層２２０は、多様なシンタクティックフォームと考えることができる。その他の実施形態では、中空粒子は、少なくとも部分的にポリマー（例えば、フェノール樹脂）、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン及び／又は酸化亜鉛で製造することができる。
【００１９】
空隙２２４は、１つ又はそれ以上の最密方向を有するほぼ均一な配列として構成することができる。例えば、空隙２２４は、最密方向ｃ３、ｃ４を有する、図９に示すような面心立方パターンとして配列することができる。この場合もまた、最密方向ｃ３、ｃ４に沿った隣り合う空隙２２４の間隔ｓは、該空隙の平均直径ｄよりも小さいか又はそれに等しくすることができ、また最密方向ｃ３、ｃ４の少なくとも１つは、導体２０２及び２０４によって確立されかつこれら導体間で延びる電界の方向に対して斜めとすることができる。
【００２０】
出願人は、上記のように構成した絶縁層（例えば、図６の絶縁層２２０）が絶縁材内での部分放電の発生に対する抵抗性の強化を示す傾向を有する可能性があることに気付いた。具体的には、出願人は、誘電体材料のマトリックス内に組入れた約１５％（ボリューム比で）のセノスフェアを有しかつそれらセノスフェアが絶縁材を透過して延びる電界に対して斜めに配向された最密方向を有するほぼ均一な配列として配置されている絶縁材の場合には、部分放電の発生を開始するのに必要な絶縁層の両側における電圧降下が、同じ誘電体材料で構成されているが空隙配列がない絶縁層に比較して５０％以上ほども増大することに気付いた。
【００２１】
何らかの特定の理論に拘ることを欲するわけではないが、本出願人は、誘電体マトリックス材内における適正に間隔を置いた空隙の均一な配列を形成することにより、そうでなければ外部電界の影響下で空隙の表面に自然に蓄積する発生電荷の相互作用が可能になると想定している。具体的には、図１１を参照すると、外部電界Ｅを受けている誘電体マトリックス３２２内の孤立した球形空隙３２４の場合には、相反する電荷は、空隙の対向する端部にそれぞれ蓄積すると予測される。この電荷配置は、最大局所電界が空隙３２４を横切って位置するという結果を引き起こし、このことは、例えば空隙内でのガス粒子のイオン化により、最終的に該空隙内の空間の絶縁破壊を生じさせる可能性がある。図１１におけるような孤立した空隙は、複雑かつ高価な絶縁材製造プロセスの排除を目指してそのような製造プロセスがない状態での絶縁層全体にわたってランダムに見出されると予測されることに注目されたい。
【００２２】
図１２を参照すると、誘電体マトリックス４２２は、孤立した空隙の代わりに、空隙４２４ａ、４２４ｂを含むほぼ均一な空隙の配列を含むことができる。この場合もまた、マトリックス４２２を電界Ｅ内に位置させた時に、電荷が、空隙４２４ａ、４２４ｂの周りに蓄積することになる。空隙４２４ａ、４２４ｂが十分に近接している場合には（例えば、間隔ｓ≦空隙の直径ｄ）、１つの空隙４２４ａに関連する電荷は、隣りの空隙４２４ｂに関連する電荷と相互作用することができる。その結果、各組の電荷が他の組の電荷に向かって引き付けられるので、電荷は、空隙４２４ａ、４２４ｂに対してシフトすることができる。（この場合における電荷の「シフト」というのは、同様な寸法及び形状の孤立した空隙の周りで予測される分布に対する電荷の移動を意味する。）この電荷の空間的再分布により、空隙４２４ａ、４２４ｂを横切る局所電界の強度の減少と共に、空隙間のマトリックス４２２を透過して延びる局所電界の強度における対応する増大を生じさせることができる。一般的に中実誘電体材料が示すより大きい絶縁破壊強度に照らして、このことは、マトリックス−空隙複合絶縁体における部分放電に対するより大きい全体的抵抗を生じさせることができる。
【００２３】
空隙の寸法及び間隔が完全に均一である空隙の理想的配置の場合には、上述した電荷再分布が起こることは期待できないことに注目されたい。その代わりに、隣り合う空隙の周りの電荷により電荷の組に作用する力は、幾つかの場合には、空隙の周りに位置しかつ対向する方向に位置した電荷によって生じる対向する力によって正確に釣り合わせることができるであろう。しかしながら、実際には、空隙の寸法もまた間隔も、完全には均一ではなく、むしろあるレベルの自然な／統計学的な変動（ばらつき）を示すことになる。空隙の寸法及び間隔についての上記の説明における「ほぼ均一な」という語句の使用は、この自然な変動を表すことを意図している。
【００２４】
図１３を参照すると、ここには、別の実例実施形態により構成された絶縁材５２０のスライス片を示している。絶縁材５２０は、少なくとも部分的に誘電体で構成することができるマトリックス材５２２を含む。マトリックス５２２は、ほぼ均一な配列を形成するように配置された複数の空隙５２４を形成することができる。マトリックス５２２は、その中に粒子５２８を組入れることができ、これらの粒子は、マトリックスの熱的及び／又は電気的性能を高める傾向を有することができる。例えば、粒子５２８の少なくとも幾つかは、マトリックス５２２の熱伝導性を高めることができるセラミック又は無機誘電体材料を含むことができる。
【００２５】
幾つかの実施形態では、マトリックス５２２は、ドープ酸化亜鉛及び／又はドープ酸化チタン（ＴｉＯ２）のようなバリスタ物質を含む粒子５２８を組入れることができる。バリスタ粒子５２８は、非線形でありかつ方程式
【００２６】
【数１】
2011030415.tif 000003
【００２７】
によって表される電流（ＩＶＡＲ）−電圧（Ｖ）挙動を有することができ、この方程式において、αは、１０〜４０の範囲内にある物質依存非線形指数であり、またｋは、物質依存比例定数である。従って、α≧１０（例えば、ドープＺｎＯ又はドープＴｉＯ２）である場合に、バリスタ粒子５２８は、その物質によって定まる閾値電圧／電界強度以下の電圧及び電界強度を受けた時には比較的非導電性である傾向を有することになり、また閾値以上を受けた時には比較的導電性であることになる。そこでは導電性挙動における遷移が起こる電界強度は、「遷移電界強度」と呼ばれる。多くの物質の場合には、遷移電界強度は、実際には、それを越えると挙動が非導電から導電に変化する強度の範囲であることになる。
【００２８】
バリスタ粒子５２８の濃度と物質は、絶縁材５２０を増大した強度の均一な外部電界内に位置させた時に、空隙５２４のいずれかを横切るが局所電界が部分放電を生じるのに十分な強度に到達する前に、マトリックス材５２２を透過する局所電界がバリスタ粒子５２８における遷移電界強度に達するように構成することができる。例えば、部分放電を開始するのに必要な電気的ストレスが３ｋＶｍｍ−１でありまた絶縁層の両側における電圧降下が１００μｍの絶縁厚において３００Ｖである時にこの電気的ストレスが見られる場合には、バリスタ粒子５２８の濃度は、３００Ｖの電圧がそれら粒子を通して伝導する１ｍＡｃｍ−２又はそれ以上の電流密度を生じるように選択することができる。そのようにして、マトリックス５２２を通る漏れ電流を生じさせて、電荷蓄積を軽減することができ、このことは、部分放電事象よりも小さい悪影響を有する。幾つかの実施形態では、マトリックス材５２２内に組入れたバリスタ粒子５２８の濃度は、それら全体の約５重量％よりも小さいか又はそれに等しくすることができる。
【００２９】
次に、実例実施形態により構成された絶縁材（例えば、図６〜図１０の絶縁材２２０）を製造する１つの方法を説明する。最初に、ポリカーボネート樹脂の顆粒は、選択量の中空マイクロスフェアと手動で混合することができる。樹脂及びマイクロスフェアの相対量は、上記したような平均中空球体濃度／間隔を備えた集合絶縁材を生成するように選択することができる。樹脂顆粒及び中空球体の混合物は次に、あらゆる捕捉水分の除去を可能にするために、１２０℃の炉内に１〜２時間置くことができる。次に、混合物は、該混合物を最高２２０〜２７０℃の温度まで加熱しながら押出機を通過させ、それによって２〜４ｍｍの直径を有しかつ連続樹脂マトリックス内における中空球体から成るワイヤを引抜き加工することができる。混合物は、押出機を複数回通過させることができ、このことは、樹脂マトリックス内における中空球体の分布の均一性を高めるのに役立てることができる。このように引抜き加工したワイヤは次に、より小さい顆粒に細断して、１２０℃で２〜５時間乾燥させることができる。最後に、細断した顆粒は、射出成形法において使用することができ、この射出成形加工は、１６，０００〜２０，０００ｐｓｉの圧力及び２４０〜２７０℃の温度で行うことができる。
【００３０】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３１】
１００  電気システム
１０２、２０２、２０４  相導体
１０４  接地導体
１２０  絶縁層
１２４、２２４  空隙
２００  電気システム
２２０  絶縁層
２２６  中空球体
３２４  球形空隙
３２２  誘電体マトリックス
３２４  空隙
４２２  誘電体マトリックス
４２４ａ、４２４ｂ  空隙
５２０  絶縁材
５２２  マトリックス材
５２４  空隙
５２８  粒子
【図１】
2011030415.tif 000004
【図２】
2011030415.tif 000005
【図３】
2011030415.tif 000006
【図４】
2011030415.tif 000007
【図５】
2011030415.tif 000008
【図６】
2011030415.tif 000009
【図７】
2011030415.tif 000010
【図８】
2011030415.tif 000011
【図９】
2011030415.tif 000012
【図１０】
2011030415.tif 000013
【図１１】
2011030415.tif 000014
【図１２】
2011030415.tif 000015
【図１３】
2011030415.tif 000016