(57)【要約】【課題】高電圧機器の高電圧が印加される導体に接触する部位から接地側に向かって誘電率が低下するように誘電率が傾斜する一体物の絶縁体を、少ない工程で実現できる、絶縁体の製造方法を得ること。【解決手段】液状の熱硬化性樹脂に、粒径が４μｍ以上の第１の無機フィラと、粒径が１μｍ以下で、且つ前記第１の無機フィラの誘電率より大きい誘電率を有する第２の無機フィラとを混合した無機フィラ充填樹脂を得て、この無機フィラ充填樹脂を型に注入し、前記無機フィラ充填樹脂が注入された型を、この型の中心を通り前記型の厚さ方向に伸びる中心軸を軸にして回転し、前記無機フィラ充填樹脂に、その中心部から外側に向かう遠心力を負荷し、前記遠心力が負荷された無機フィラ充填樹脂を硬化することからなるものである。【選択図】          図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の熱硬化性樹脂に、粒径が４μｍ以上の第１の無機フィラと、粒径が１μｍ以下で、且つ前記第１の無機フィラの誘電率より大きい誘電率を有する第２の無機フィラとを混合した無機フィラ充填樹脂を得る工程と、前記無機フィラ充填樹脂を型に注入する工程と、前記無機フィラ充填樹脂が注入された型を、前記型の中心を通り前記型の厚さ方向に伸びる中心軸を軸にして回転し、前記無機フィラ充填樹脂に、その中心部から外側に向かう遠心力を負荷する工程と、前記遠心力が負荷された無機フィラ充填樹脂を硬化する工程とからなる絶縁体の製造方法。
【請求項２】
第１の無機フィラの含有率が第２の無機フィラの含有率以上である無機フィラ充填樹脂を用いることを特徴とする請求項１に記載の絶縁体の製造方法。
【請求項３】
粘度が５０〜１０００Ｐａ・ｓの無機フィラ充填樹脂に１０００Ｇ以上の遠心力を負荷することを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高電圧機器の絶縁体の製造方法、特に、高電圧機器の高電圧が加わる導体を絶縁する絶縁体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高電圧機器はコンパクト化が進展し、絶縁体にかかる電気ストレスが高くなっている。そこで、高電圧機器の最も電界が高くなる部位、例へば、ガス絶縁開閉装置における絶縁体と導体とガスとが交わるトリプルジャンクション部などの電界集中を緩和し、電界分布を一様化することにより、信頼性の高いコンパクトな高電圧機器が実現できる。この電界分布を一様化する手段として、絶縁体の誘電率を、導体と接する高電圧側から接地側へ向かって低くなるように傾斜させることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
高電圧機器の絶縁体には、軽量で高い絶縁性と耐熱性とを有し、任意の形状に容易に成形できるため、液状の熱硬化性樹脂に無機フィラを充填した材料が用いられている。このような絶縁材料を用いた誘電率が傾斜した絶縁体の製造方法として、熱硬化性樹脂にセラミックの粒子を添加した混合物を、放置してセラミックの粒子を自然沈降させるか、または、遠心分離してセラミックの粒子を強制的に沈降させるかにより、一方向にセラミック粒子が偏在した混合物を得て、この混合物を硬化する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
平成７年電気学会全国大会予稿集  ６−４８１頁
【特許文献１】
特開２００２−１２９０２８公報（第３−４頁、第４図、第８図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガス絶縁開閉装置の導体を絶縁する絶縁体のように、高電圧が印加される導体を絶縁体の中心部に配置し接地部と絶縁するものにおいて、トリプルジャンクション部の電界集中を緩和し、電界分布を一様化するには、絶縁体が導体と接触する中心部から外周の接地部に向かって誘電率が低下するように傾斜させる必要がある。
【０００６】
しかし、従来の重力または遠心力により誘電率を傾斜させる方法では、重力方向あるいは、遠心力方向に向かってセラミック粒子の含有率が増大し、誘電率が増大する絶縁体となる。そのため、円形状の型を用い遠心力をかけて誘電率を傾斜させさた絶縁体では、外側が高く中心部が低い誘電率を有する傾斜絶縁体となり、ガス絶縁開閉装置のトリプルジャンクション部の電界集中を緩和できないとの問題があった。
また、従来の重力または遠心力により誘電率を傾斜させる方法で得られた絶縁体を、ガス絶縁開閉装置のトリプルジャンクション部の電界集中を緩和する絶縁体として用いるには、前記誘電率傾斜絶縁体から、機械加工により複数の部材を作製し、この部材を接着して組み立てることにより、中心部から外側に向かって誘電率が傾斜する絶縁体とする必要があり、絶縁体の製造工程が多く生産性が低いとの問題があった。さらに、絶縁体を接着してして組み立てるため、絶縁体の機械強度が低いとともに、接着界部にボイドを含有することにより、耐電圧が低下するとの問題があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、高電圧機器の高電圧が印加される導体を絶縁する絶縁体の製造方法であって、導体に接触する部位から接地側に向かって誘電率が低下するように誘電率が傾斜する一体物の絶縁体を、少ない工程で実現できる、絶縁体の製造方法を得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明における絶縁体の製造方法は、液状の熱硬化性樹脂に、粒径が４μｍ以上の第１の無機フィラと、粒径が１μｍ以下で、且つ前記第１の無機フィラの誘電率より大きい誘電率を有する第２の無機フィラとを混合した無機フィラ充填樹脂を得る工程と、前記無機フィラ充填樹脂を型に注入する工程と、前記無機フィラ充填樹脂が注入された型を、前記型の中心を通り前記型の厚さ方向に伸びる中心軸を軸にして回転し、前記無機フィラ充填樹脂に、その中心部から外側に向かう遠心力を負荷する工程と、前記遠心力が負荷された無機フィラ充填樹脂を硬化する工程とからなるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
高電圧機器の絶縁体に用いられる液状の熱硬化性樹脂に無機フィラの粒子を混合した絶縁材料において、誘電率を特定の方向に傾斜させた絶縁体を製造する方法としては、前記絶縁材料に遠心力をかけて、無機フィラを偏在させる方法がある。
そこで、遠心力をかけた場合の液状樹脂中での無機フィラの分散に対する無機フィラの性状の影響を調べるため、表１に示す粒径と比重とが異なる各無機フィラを熱硬化性液状樹脂に混合し、この絶縁材料に遠心力を加えて無機フィラの分散状態を調べた。
【００１０】
まず、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛ジャパンエポキシ（株）製；エピコート８２８｝と酸無水物硬化剤｛日立化成工業（株）製；ＨＮ−２２００｝とを当量比で１：０．９で混合し、この混合物の１００重量部に、０．３重量部のイミダゾール系硬化促進剤と１５０重量部の無機フィラとを加えて混合した。用いた無機フィラは、比重が２．９のシリカ（ＳｉＯ２）と比重が４．２の酸化チタン（ＴｉＯ２）であり、粒径は０．５〜２９μｍの範囲のものである。この無機フィラ充填樹脂を遠心管に採取して、コンパクト高速冷却遠心機｛ＫＵＢＯＴＡ製：６９３０｝を用い１０００Ｇの遠心力を１時間加えた後に、無機フィラ充填樹脂を１３０℃で５時間の加熱により硬化した。得られた硬化物を縦方向にカットして、その断面を観察して無機フィラの分散状態を調べ、結果も表１に示す。
【００１１】
表１から明らかなように、粒径が１μｍ以下の無機フィラは、その比重によらず遠心力を加えても偏在が認められず、分散がほぼ一様であった。粒径が１μｍより大きい無機フィラ、特に、粒径が４μｍ以上の無機フィラは遠心力方向での偏在が認められ、遠心力により遠心管の注入口部から底部に向かって無機フィラの含有率が増大した。
すなわち、液状樹脂マトリックス中においては、粒径が１μｍ以下の無機フィラは、無機フィラに作用する遠心力では、ほとんど動くことがなく、粒径が１μｍより大きく、特に４μｍ以上の無機フィラは、無機フィラに作用する遠心力により、樹脂マトリックス中を移動する。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
次に、上述の発明者らが見出した粒径の異なる無機フィラに作用する遠心力の違いに基づき完成した本発明の内容を説明する。
本実施の形態における、絶縁体の製造方法は、まず、主剤と硬化剤と硬化触媒とからなる液状熱硬化性樹脂に、液状熱硬化性樹脂より誘電率が大きく、粒径が４μｍ以上の第１の無機フィラと粒径が１μｍ以下で第１の無機フィラの誘電率より大きい誘電率を有する第２の無機フィラとを添加して混合する。この無機フィラ充填樹脂を遠心管に採取して、遠心分離機を用い、無機フィラ充填樹脂に１０００〜１００００Ｇの遠心力を加えた後、無機フィラ充填樹脂に用いられた熱硬化性樹脂の所定の硬化条件で硬化して、無機フィラの分布が偏在する絶縁体を得る。
【００１４】
図１は、無機フィラ充填樹脂に遠心力を加える前の無機フィラの分布状態（ａ）と遠心力を加えた後の無機フィラの分布状態（ｂ）とを示すモデル図である。図１（ａ）に示すように、遠心力を加える前は、遠心管１内において、無機フィラ充填樹脂は、液状熱硬化性樹脂２中に第１の無機フィラ３と第２の無機フィラ４とが均一に分布している。しかし、図１（ｂ）に示すように、遠心力を加えた後は、遠心管１の注入口から底部に向かって、第１の無機フィラ３と第２の無機フィラ４との比率が変化している。すなわち、遠心管１の底部側で、第１の無機フィラ３の含有率が増大し、第２の無機フィラ４の含有率が減少する。また、遠心管１の注入口側で、第２の無機フィラ４の含有率が増大し、第１の無機フィラ３の含有率が減少する。
【００１５】
つまり、無機フィラ充填樹脂の遠心管１の注入口側は、遠心力をかける前より、誘電率が大きい第２の無機フィラ４の含有率が多くなり、遠心管１の底部側に行くに従い、第２の無機フィラ４の含有率が減少していく。この無機フィラ充填樹脂を硬化すると、遠心力方向に向かって誘電率が低下していくように傾斜した絶縁体が得られる。
【００１６】
次に、本実施の形態の絶縁体が、遠心管１の底部側では、第１の無機フィラ３の含有率が増大し、第２の無機フィラ４の含有率が減少し、遠心管１の注入口側では、第２の無機フィラ４の含有率が増大し、第１の無機フィラ３の含有率が減少する機構を説明する。
図２はこの機構を説明する図であり、図２に示すように、本実施の形態で用いた無機フィラ充填樹脂に遠心力を加えると、第１の無機フィラ３は粒径が４μｍ以上であるので、遠心力が作用し、矢印で示す遠心力が作用する方向に移動するが、しかし、第２の無機フィラ４は粒径が１μｍ以下であるので、遠心力が作用する方向には移動しない。そして、粒径の大きい第１の無機フィラ３が遠心管１の底部側への移動に伴い、液状熱硬化性樹脂２が押しのけられ逆に遠心管１の注入口側に移動する。そのとき、遠心力の作用が少ない粒径が１μｍ以下の第２の無機フィラ４は、液状熱硬化性樹脂２とともに矢印で示すように注入口側へ移動する。
無機フィラ充填樹脂に遠心力を加えた時の、このような無機フィラの移動機構により、遠心力方向に向かって、誘電率が低下していく絶縁体が得られる。
【００１７】
そこで、円板状のキャビティを有する型に無機フィラ充填樹脂を注入し、この型のキャビティの中心を通りキャビティの厚さ方向に延びる中心軸を軸にして、この型を回転し、円板状のキャビティの中心から外側に向かって無機フィラ充填樹脂に遠心力をかけると、絶縁体の中心部から外側に向かって誘電率が低下する誘電率傾斜絶縁体を得ることができる。すなわち、高電圧機器の高電圧が印加される導体に接触する部位から接地側に向かって誘電率が低下するように誘電率が傾斜した一体物の絶縁体を容易に得ることができる。
【００１８】
本実施の形態において、液状熱硬化性樹脂２としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂を用いることができるが、耐熱性や機械特性の観点からエポキシ樹脂が特に好ましい。
また、無機フィラとしては、酸化チタン、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、アルミナ、ムライト、シリカ等が挙げられ、この中から、第１の無機フィラ３と第２の無機フィラ４とには、第１の無機フィラの誘電率＜第２の無機フィラの誘電率となる関係を満たす組み合わせで用いられる。特に、第１の無機フィラの誘電率と第２の無機フィラの誘電率との差が大きなものの組み合わせが、誘電率の傾斜の勾配が大きい絶縁体が実現できる。
第１の無機フィラの粒径は４〜５００μｍのものが好ましく、５００μｍより大きいと得られた絶縁体の機械強度が低下する。本実施の形態では、第１の無機フィラとして粒径が４μｍ以上のもを用いているが、第１の無機フィラ中での比率が２０重量％未満であれば、粒径が４μｍ未満のものが含まれても良い。第２の無機フィラの粒径は０．０５〜１．０μｍであり、０．０５μｍ未満であると、無機フィラ充填樹脂の流動性が悪くなり、絶縁体の成形性が低下する。
【００１９】
本実施の形態の無機フィラ充填樹脂では、第１の無機フィラの含有率は第２の無機フィラの含有率以上である。第１の無機フィラの含有率が第２の無機フィラの含有率以上であると、遠心力をかけたときに遠心力で移動する無機フィラの量が十分にあり、絶縁体の誘電率の傾斜勾配が大きくなる。
本実施の形態で用いる無機フィラ充填樹脂の粘度は５０〜１０００Ｐａ・ｓが好ましい。前記粘度が５０Ｐａ・ｓより小さいと、無機フィラ充填樹脂に遠心力を負荷した後の無機フィラ充填樹脂の硬化時に、第１の無機フィラの沈降がおこり、得られた絶縁体の誘電率の傾斜が不均一になる。また、前記粘度が１０００Ｐａ・ｓより大きいと、遠心力をかけても、無機フィラの偏在がおこらない。
【００２０】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
【００２１】
実施例１．
液状熱硬化性樹脂として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛ジャパンエポキシ（株）製；エピコート８２８｝と酸無水物硬化剤｛日立化成工業（株）製；ＨＮ−２２００｝とが当量比で１：０．９の混合物１００重量部に０．３重量部のイミダゾール系硬化促進剤を加えたものを用いた。この液状熱硬化性樹脂１００．３重量部に対して、第１の無機フィラである粒径が９μｍのシリカ（比重；２．９、誘電率；４．５）１５０重量部と、第２の無機フィラである粒径が０．６μｍの酸化チタン（比重；４．２、誘電率；１１４）４０重量部とを配合して、室温（２０℃）で混合し、シリカおよび酸化チタンを均一に分散させる。
この配合された無機フィラ充填樹脂を、内径が２０ｍｍの遠心管に底から５０ｍｍまで入れ、無機フィラ充填樹脂に２０℃で４１００Ｇの遠心力を４時間負荷し、その後、遠心力を負荷した無機フィラ充填樹脂を、１３０℃で１１時間の熱処理をして、硬化させる。
同時に、遠心力をかけていない無機フィラ充填樹脂も１３０℃で１１時間の熱処理をして、硬化させる。
【００２２】
図３（ａ）は得られた絶縁体の誘電率を測定する位置を示す図であり、図３（ａ）においてＸ０〜Ｘ４の記号で示すように、測定位置は、得られた絶縁体の注入口側の面、およびこの面から１０ｍｍ間隔の各位置である。すなわち、Ｘ０〜Ｘ４の各位置から１ｍｍ厚さの試験体を切り出し、各試験体の両面に電極を形成し、誘電率を測定した。図３（ｂ）は試験体の各位置と誘電率との関係を示す模式図であり、図３（ｂ）に示すように、Ｘ０部の位置（注入口側の面の位置）では、遠心力を負荷した絶縁体の誘電率は、遠心力をかけていない絶縁体の誘電率より大きくなり、Ｘ４部の位置（注入口側の面から４０ｍｍの位置）では、遠心力を負荷した絶縁体の誘電率は、遠心力をかけていない絶縁体の誘電率より小さくなった。すなわち、遠心力を負荷することにより、誘電率が遠心力場方向に向かって低下していき、誘電率傾斜の勾配Δεが−２／ｃｍの絶縁体が得られた。
また、切り出された各試験体断面を走査型電子顕微鏡で観察した。その結果、Ｘ０→Ｘ４に向かっては、試験体中に大粒径であるシリカの含有率が増大し、Ｘ４→Ｘ０に向かっては、小粒径である酸化チタンの含有率が増大していることが確認された。
【００２３】
実施例２．
図４は、本実施例の円板状絶縁体を成形する金型を示す図である。金型１０は、底板１１と、中軸１２と、外枠１３と、上板１４とからなり、この金型１０のキャビティ１５は外径が６０ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚さが１０ｍｍである。
本実施例の絶縁体の成形は、まず、金型１０の上板１４をはずし、キャビティ１５に実施例１と同様な無機フィラ充填樹脂を注入する。次に、上板１４を金型１０にねじにより取り付け、金型１０の中心を通り金型の厚さ方向に延びる中心軸を軸として、金型１０を回転させ、キャビティ部の内径から外径方向に５０００Ｇの遠心力を４時間負荷する。その後１３０℃で１１時間の加熱により、無機フィラ充填樹脂を硬化させ、外径が６０ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚さが１０ｍｍの中央部に円形の貫通孔を有する円板状の絶縁体２０を得た。
【００２４】
図５（ａ）は得られた円板状絶縁体２０の横断面（ａ）を示す図であり、図５（ｂ）はそのａ−ａ’断面を示す図である。このａ−ａ’断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒径の大きい無機フィラが内側から外側に向かって多くなり、粒径の小さい無機フィラは外側から内側に向かって多くなっていた。
【００２５】
図６（ａ）は得られた円板状絶縁体から誘電率測定用試験体の作製を説明する図であり、誘電率測定用試験体２１は円板状絶縁体２０から半径方向に短冊状に切り出して作製される。
図６（ｂ）は誘電率測定用試験体２１の誘電率測定位置を示す図であり、誘電率は、図６（ｂ）のＹ０〜Ｙ４の記号で示す誘電率測定用試験体２１の内側および、内側から５ｍｍ間隔の各部分から切り出した１ｍｍ厚さの各試験体の両面に電極を形成し測定した。その結果、絶縁体２０の内径側から外径側に向かっての誘電率の傾斜はΔε＝−２／ｃｍであった。
すなわち、高電圧機器の高電圧が印加される導体に接触する中心部から外側の接地側に向かって誘電率が低下するように誘電率が傾斜した一体物の絶縁体を容易に得ることができた。
【００２６】
実施例３．
実施例２の無機フィラ充填樹脂に、２０℃で１００００Ｇの遠心力を４時間負荷した以外、実施例２と同様にして、円板上の絶縁体２０を得た。得られた絶縁体２０について、実施例２と同様にして、絶縁体２０の遠心力場方向の、すなわち内径側から外径側に向かっての、誘電率の変化と充填剤含有状態の変化とを求めた。
誘電率の変化および充填剤含有状態の変化ともに、実施例２と同様な傾向であるが、誘電率傾斜の勾配Δεが−２．５／ｃｍと実施例２のものより大きい絶縁体が得られた。
【００２７】
実施例４．
無機フィラ充填樹脂において、第１の無機フィラとして粒径が１５μｍのシリカ（比重；２．９、誘電率；４．５）１００重量部と、第２の無機フィラとして粒径が０．７μｍの硫酸バリウム（比重；４．３５、誘電率；１１．４）１００重量部とを用いた以外、実施例２と同様にして、絶縁体２０を得た。得られた絶縁体２０について、実施例２と同様にして、絶縁体２０の遠心力場方向の、すなわち内径側から外径側に向かっての、誘電率の変化と充填剤含有状態の変化とを求めた。
誘電率の変化および充填剤含有状態の変化ともに、実施例２と同様な傾向であり、誘電率傾斜の勾配Δεも−２／ｃｍと実施例２と同様な絶縁体が得られた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明における絶縁体の製造方法は、液状の熱硬化性樹脂に、粒径が４μｍ以上の第１の無機フィラと、粒径が１μｍ以下で、且つ前記第１の無機フィラの誘電率より大きい誘電率を有する第２の無機フィラとを混合した無機フィラ充填樹脂を得る工程と、前記無機フィラ充填樹脂を型に注入する工程と、前記無機フィラ充填樹脂が注入された型を、前記型の中心を通り前記型の厚さ方向に伸びる中心軸を軸にして回転し、前記無機フィラ充填樹脂に、その中心部から外側に向かう遠心力を負荷する工程と、前記遠心力が負荷された無機フィラ充填樹脂を硬化する工程とからなるものであり、絶縁体の中心部から外側に向かって誘電率が低下する誘電率傾斜絶縁体を得ることができる。すなわち、高電圧機器の高電圧が印加される導体に接触する部位から接地側に向かって誘電率が低下するように誘電率が傾斜した一体物の絶縁体を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に用いた無機フィラ充填樹脂の遠心力を加える前の無機フィラの分布状態（ａ）と遠心力を加えた後の無機フィラの分布状態（ｂ）とを示すモデル図である。
【図２】実施の形態１の絶縁体における遠心力方向に向かって第２の無機フィラの含有率が減少する機構を説明する図である。
【図３】実施例１で得られた絶縁体の誘電率測定位置（ａ）及び絶縁体の各位置と誘電率との関係を示す模式図（ｂ）である。
【図４】実施例２の絶縁体を成形する金型を示す図である。
【図５】実施例２の円板状絶縁体の横断面（ａ）とａ−ａ’断面（ｂ）とを示す図である。
【図６】実施例２の絶縁体の誘電率測定用試験体の作製（ａ）及び誘電率測定位置（ｂ）を説明する図である。
【符号の説明】
１  遠心管、２  液状熱硬化性樹脂、３  第１の無機フィラ、４  第２の無機フィラ、１０  金型、１１  底板、１２  中軸、１３  外枠、１４  上板、１５キャビティ、２０  円板状絶縁体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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