(57)【要約】【課題】高分子材料を長期間使用した場合の材質変化による劣化度を超音波を利用して非破壊的に診断する方法を提供する。【解決手段】被診断材料の表面に超音波発信子及び受信子を適切な間隔を置いて配置し、被診断材料の表面近傍に超音波を伝搬させ、その際得られる超音波減衰率と材質変化の相関関係から劣化度を診断する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子材料に超音波を伝搬させて前記高分子材料の劣化度を非破壊的に診断する方法において、前記高分子材料の表面近傍を伝搬した水平伝搬縦波からなる超音波の減衰率と劣化による高分子材料の材質変化との相関関係から劣化度を診断することを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項２】
請求項１に記載の高分子材料劣化診断法において、前記高分子材料の表面に超音波送信子および超音波受信子を間隔を空けて配置し、前記超音波送信子から前記高分子材料に超音波を入射し、この入射された超音波を前記高分子材料の表面近傍を伝搬させて前記超音波受信子に接する表面部位に到達させ、この到達した超音波を前記超音波受信子で受信することにより前記高分子材料表面近傍を伝搬してきた超音波の減衰率を測定することを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれか１つに記載の高分子材料劣化診断法において、劣化診断の対象となる高分子材料が熱硬化性高分子材料であることを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項４】
請求項１〜２のいずれか１つに記載の高分子材料劣化診断法において、劣化診断の対象となる高分子材料が熱可塑性高分子材料であることを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の高分子材料劣化診断法において、劣化診断の対象となる高分子材料を構成材の一部に組み込んだ機器が、変圧器、変成器、開閉器、回転機、絶縁用スペーサ及び絶縁用ブッシングなどの電気機器であることを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子材料の劣化度を診断する方法に関するものであり、特に変電機器などの電気機器に絶縁部材として使用される高分子材料の劣化診断法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気機器などには、絶縁部材としてエポキシ樹脂などの高分子材料が使用されている。使用条件は高温、多湿、温度変化を伴う場合があり、紫外線などの有害光に曝されたり、放射線下などの過酷な条件下で長時間にわたって使用されると、高分子材料の材質が変化し電気的又は機械的特性が低下する。これを劣化という。高分子材料の劣化が進行すると機器の不具合が発生し、安全上問題となる恐れがある。そこで、所定の期間ごとに劣化状態を調査診断し不具合が発生する以前に適切に処置することが求められる。
高分子材料の劣化機構には、分子鎖の切断による分子量の減少、末端原子の酸化によるＣ−Ｃ結合の遊離、末端官能基のカルボニル基などの生成や分解、側鎖の架橋の促進や破断、充填材として用いられている異質材料との結合の切断などがある。これらの機構によって、高分子材料の絶縁性能やその他の電気的特性が低下したり、機械的強度の低下により部材表面に亀裂が発生し、それが成長して破壊に至る恐れがある。
【０００３】
高分子材料の劣化診断には多くの方法が適用されている。劣化度をなるべく正確に把握するには、実際使用中の機器に使われている高分子材料の部材全体や一部を取り出して、化学・物理的分析、機械的試験及び各種物性測定を行なうことになるが、これは破壊検査になる。この点で、診断結果として健全と判断された場合に機器を継続的に使用することができるようにするため、非破壊検査法を適用することが望ましいが、この場合でも出来る限り正確な劣化情報を得る必要がある。非破壊試験法としては、部材表面に対する色度試験、材料内部に対しては音響伝搬試験が行なわれている。中でも音響伝播試験法は、高分子材料中を伝搬してきた音波の波形や音速の変化を捉えて診断を行なうので、種々の劣化機構に基づく材質変化を総合的に捉えた有効な劣化診断法である。
音響伝搬特性を劣化度の診断に用いるとした既発明には、特許文献１ないし特許文献４に開示されているものなどがある。これらの発明はいずれも高分子材料に水平伝搬横波の音波、すなわちＳＨ波を伝搬させるものであり、その伝搬時間または音速が劣化度合いを良く反映するとしている。また他に既発明として特許文献５に開示されているものがある。この発明で用いられる音波は水平伝搬の縦波であって、電線被覆材のような軟質材料に適しているとしており、伝搬時間、すなわち音速を用いて診断を行なう方法を開示している。  
【特許文献１】特開平１１−２１１６９９号公報
【特許文献２】特開平１０−１０４２０７号公報
【特許文献３】特開平９−２３６５８５号公報
【特許文献４】特開平９−５３０９号公報
【特許文献５】特開平１１−３３７５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現地に設置されている機器に用いられている高分子材料の劣化診断では、診断結果として健全と判断された場合に機器を継続的に使用することができるようにするため、非破壊的な診断法が求められる。しかしながら、従来から知られている高分子材料の非破壊的な劣化診断法では診断精度は必ずしも十分とは言えない。本発明においては超音波を用いて非破壊的に実用上十分に高い精度で高分子材料の劣化度を診断することができるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、本発明は、高分子材料に超音波を伝搬させて前記高分子材料の劣化度を非破壊的に診断する方法において、前記高分子材料の表面近傍を伝搬した水平伝搬縦波からなる超音波の減衰率と劣化による高分子材料の材質変化との相関関係から劣化度を診断するものとする（請求項１の発明）。
上記のように、高分子材料に超音波を伝搬させてその劣化度を非破壊的に診断するために、本発明では、高分子材料の表面近傍に水平伝搬縦波からなる超音波を伝搬させた場合の減衰率を利用する。予め劣化のない高分子材料における減衰率と機械的強度及びその他の必要な特性値を求めておき、強制的に加熱などにより材料を加速劣化させて劣化度を変えた試料を準備する。前記劣化度を変えた材料について減衰率と機械的強度をはじめその他物理的及び化学的な特性を測定し、減衰率と諸特性との相関関係を求める。その上で使用中の機器部材で劣化が予想される高分子材料の超音波減衰率を測定することによって予め得られた相関関係から劣化度を換算して目的を達成する。
【０００６】
高分子材料中を伝搬した超音波の減衰は大きく、劣化に伴う減衰率の変化率も劣化に伴う音速などの変化率に比べて大きいので、超音波の減衰率を利用した本発明の劣化診断法では、診断精度をより高くすることができる。
さらに、上記のように、超音波の減衰率に基づく高分子材料劣化診断法に水平伝搬縦波（ＬＨ波）を適用していることにより、超音波の減衰率と材質変化との間で特に高い相関関係が得られ、劣化診断精度をより高くすることができる。
また、超音波を高分子材料の表面近傍を伝搬させるため、適用される高分子材料の厚さや形状の影響を少なくすることができる。
また、請求項１に記載の高分子材料劣化診断法においては、前記高分子材料の表面に超音波送信子および超音波受信子を間隔を空けて配置し、前記超音波送信子から前記高分子材料に超音波を入射し、この入射された超音波を前記高分子材料の表面近傍を伝搬させて前記超音波受信子に接する表面部位に到達させ、この到達した超音波を前記超音波受信子で受信することにより前記高分子材料表面近傍を伝搬してきた超音波の減衰率を測定することが好ましい（請求項２の発明）。
【０００７】
上記のように、高分子材料に超音波を伝搬させるために、超音波送信子及び超音波受信子を高分子材料の表面に適切な間隔をおいて配置し、超音波送信子及び超音波受信子間の高分子材料表面近傍に超音波を伝搬させる。この際、超音波送信子から高分子材料に入射された超音波が高分子材料の表面近傍を伝搬して超音波受信子に接する表面部位に到達し超音波受信子で受信されるような音響的屈折条件となるように構成された超音波送信子及び超音波受信子を高分子材料表面に配置するが、例えば、前記屈折条件となるようにスネルの法則に従った角度で加工されたスペーサを送信子及び受信子と高分子材料表面との間に介在させるようにするとよい。
また、請求項１〜２のいずれか１つに記載の高分子材料劣化診断法においては、劣化診断の対象となる高分子材料が熱硬化性高分子材料であってもよく、また、熱可塑性高分子材料であってもよい（請求項３〜４の発明）。
【０００８】
材料ごとに個別に超音波減衰率と各種特性との相関関係を予め求めておけば、上記のように、劣化診断の対象となる高分子材料が熱硬化性高分子材料であっても、熱可塑性高分子材料であっても、超音波の減衰率に基づく本発明の高分子材料劣化診断法を有効に適用することができる。
また、請求項１〜４のいずれか１つに記載の高分子材料劣化診断法において、劣化診断の対象となる高分子材料を構成材の一部に組み込んだ機器が、変圧器、変成器、開閉器、回転機、絶縁用スペーサ及び絶縁用ブッシングなどの電気機器であってもよい（請求項５の発明）。
超音波の減衰率に基づく本発明の高分子材料劣化診断法は、高分子材料の劣化を非破壊でかつ高精度に診断することができるので、特に高い信頼性が求められる上記のような電気機器にも好適に適用することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、超音波を用いて高分子材料の劣化度を非破壊的に診断することができるとともに、特に水平伝搬縦波からなる超音波の減衰率と劣化度との高い相関関係を用いていることにより、劣化診断精度を実用上十分に高いものとすることができる。
また、超音波を高分子材料の表面近傍を伝搬させるため、劣化診断の対象となる高分子材料の厚さや形状の影響を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、超音波伝搬特性測定系の概念図であり、図１（ａ）は超音波の垂直伝搬特性を用いて高分子材料の劣化を診断するための送信子１及び受信子２の配置概念図である。図１（ａ）は超音波を材料表面に対して垂直に伝搬させる場合のセンサーの配置を示しており、送信子１から送信された超音波パルスは材料表面に垂直に入射し、受信子２で受ける。図１（ｂ）は音波波形の概念図である。超音波は被測定材料１０中を伝搬する間に生じる散乱拡散や吸収により減衰する。また、台形波で入射したものが振動波形に変形して受信子２で検出され、そこで電気信号に変換され出力される。超音波伝搬特性として音速を用いる場合には、超音波パルスの入射時間と受信時間との差、すなわち超音波パルスの伝搬時間２０１と、超音波伝搬距離１０１、すなわち試料の厚さが正確に分っておれば音速を測定できる。図１に示すように被測定材料の表裏に送信子１及び受信子２を対に設置する他に、表面に送受信子一体のセンサーを設置し裏面から反射してきた音響パルスを表面で受信し音速を測定することもできる。この方法は裏面に受信子を設置できない場合に有効であるが、これらの垂直伝搬法は実機に適用する場合には材料の厚さを正確に測定できないことが多く、形状も様々で場所により厚さが一様でないなどの制限があり適用しにくい問題がある。また、図１（ａ）に示すセンサー配置の測定系において、送信子１への電気入力及び受信子２からの電気出力により、超音波伝搬特性として超音波の減衰率を求めることができる。
【００１１】
図２は、超音波の水平伝搬特性を用いて高分子材料の劣化を診断するための送信子３及び受信子４の配置概念図であって、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は側面図である。送信子３から被測定材料１１の表面近傍に入射された超音波パルスは材料の表面に沿って伝搬して、受信子４に到達して電気信号として検出される。この場合に、送信子３から入射された超音波パルスが材料１１の表面近傍を伝搬して受信子４に接する表面部位に到達し受信子４で受信されるような屈折条件となるように、送信子３と材料１１の間及び受信子４と材料１１の間にそれぞれ図示されないスペーサを設けるとともに、これらのスペーサは、これらのスペーサと材料１１との音速の違いに応じてスネルの法則に従った角度で加工したものを用いる。この水平伝搬方式は、垂直伝搬方式に比べ、超音波の伝搬路を材料表面付近とするため、材料の厚さ方向の形状や構造による制限を受けずに測定ができる利点がある。図２に示すセンサー配置の測定系において、送信子３への電気入力及び受信子４からの電気出力により、本発明の高分子材料劣化診断法で用いる超音波伝播特性として超音波の減衰率を求めることができる。
【００１２】
高分子材料の劣化度を診断するためには、予め材料を高温で長時間加熱するなどして材質を強制的に変質させ、図１又は図２に示す方法で音響特性を測定すると、材料の劣化と音響特性の関係を求めることができるが、本発明では、前記音響特性、すなわち超音波伝搬特性として、特に超音波の減衰率を用いており、材料の劣化度と超音波の減衰率との関係に基づいて劣化度を診断する。
図３は、高分子材料を高温加熱により劣化させた試料における垂直伝搬縦波（Ｌ波）の音速特性を第１の参考例の特性データとして示す。加熱時間は200℃及び220℃で、加熱時間（劣化時間）は0から1000時間の間で変化させた。加熱温度が高く、時間が長いほど音速が低下する傾向を示している。ただし、データのばらつきが大きく、音速で劣化度を診断する場合、高精度は期待できない。音速を測定する場合、反射波は通常振動しているため、波形の何処で測定するかによって、音速の測定値が若干異なる。ここでは波のピーク点（●印及び○印）とゼロクロス点（■印及び□印）で測定した結果を示すが、劣化と音速の関係はピーク点測定及びゼロクロス点測定のいずれでも同様の相関関係が得られた。なお、図３の特性データでは、高分子材料として、樹脂モールド変圧器などに使われるシリカ粉充填ビスフェノール系エポキシ樹脂を用いており、以下の図４〜９の特性データも同様にシリカ粉充填ビスフェノール系エポキシ樹脂を対象としたものである。
【００１３】
図４は、垂直伝搬横波（ＳＶ波）の加速劣化条件と音速の関係を第２の参考例の特性データとして示す。ここでも加熱時間とともに音速は低減しているが、その相関性はかなりばらつきが大きく、高精度の診断は期待できない。
図５は、水平伝搬縦波（ＬＨ波）の場合の加速劣化条件と音速の関係を第３の参考例の特性データとして示す。ここで、図中で「ＬＨ波音速 gap=11.98−6.91」とあるのは、送信子と受信子間距離として11.98mmと6.91mmとの２つの距離条件で伝搬時間を測定し、その差から実際の音速を換算していることを示す。加熱時間（劣化時間）に対して音速の低下は認められるが、単調な変化とは言えない。
図６には、水平伝搬横波（ＳＨ波）の場合の加速劣化条件と音速の関係を第４の参考例の特性データとして示す。ここでも音速と加熱時間（劣化時間）との間には明確な相関関係は認めがたい。
【００１４】
いずれにしても音速と加熱時間（劣化時間）との関係はデータのばらつきが大きく、相関性は良いとは言えない。また、音速と加熱時間（劣化時間）との関係は直線的でないこともあって、音速変化は、高分子材料の劣化診断に適用するには有効性が低いと言える。
図７は、水平伝搬縦波（ＬＨ波）の場合の加熱時間（劣化時間）と超音波減衰率との関係を本発明の実施例の第１の特性データとして示す。劣化条件は温度180℃、200℃、220℃で時間は0から2000時間まで変化させている。両者の関係は直線的ではないが、超音波伝播特性として音速を用いた場合よりかなり高い相関関係が得られている。
図８は、シリカ粉充填ビスフェノール系エポキシ樹脂について求めた引張強度と加熱時間（劣化時間）との関係を示す。加熱時間（劣化時間）と共にまた加熱温度（劣化温度）と共に引張強度は低下する傾向が明確に示されている。実際にエポキシ樹脂に無機粉末などを複合した高い弾性率を持ち高強度な高分子材料の健全性診断には引張強度のような機械的特性の変化が重要である。
【００１５】
図９は、水平伝搬縦波（ＬＨ波）の減衰率と引張強度との関係を本発明の実施例の第２の特性データとして示したものであり、図７の特性データと図８の特性データとから導き出されたものである。ここで、図中で「2MHz／11.2mm」とあるのは、超音波伝搬特性の測定に用いた音響パルスの特性周波数が2MHzであること、及び、送信子と受信子との間の有効間隔距離、すなわち、送信子３から材料１１への斜め入射部における音波の中心位置と材料１１から受信子４への斜め出射部における音波の中心位置との間の距離が11.2mmであることを示す。図９の特性データでは、直線性のよい関係が得られており、ばらつきも少ない。この関係を用いると高分子材料の劣化評価が容易になり、高い精度で診断できる。これが本発明のポイントである。この外にも水平伝搬横波などについてもデータを採取したが、高い相関関係は得られなかった。このように高分子材料の劣化診断に超音波の減衰率、特に水平伝搬縦波からなる超音波の減衰率を用いることにより、高分子材料の材質の変化との相関関係が、音速を用いた劣化診断法よりも飛躍的に改善され、しかもほぼ直線関係が得られることから劣化診断精度を向上させることができる。
【００１６】
なお、図７及び図９の特性データにおける減衰率は入力X、出力Yとした場合、20log(X/Y)で表される量であり、単位はデシベルである。実用的には送信子への電気入力及び受信子からの電気出力から減衰率が求められる。この中には材料中伝搬による減衰の他に、圧電素子の電気／機械変換ロス、試料との界面の反射／減衰などが加わるが、材料中伝搬による減衰のみが劣化によって変化しその他の減衰はセンサーの構成によって決まり一定であるので、電気入力及び電気出力の変化を捉えて高分子材料の劣化度を診断して差し支えない。
また、図７及び図９に特性データを示した本発明の実施例での超音波伝搬特性の測定に用いた音響パルスの特性周波数は2MHzである。これは送信子及び受信子に用いられている電気−機械変換素子の共振周波数である。現地に設置された機器の場合には、電気的及び機械的なノイズの影響を受けるが、このような狭帯域測定はＳＮ比を向上させるという点からも効果的である。
【００１７】
また、上述のように、本発明による高分子材料劣化診断法は、水平伝搬縦波からなる超音波を高分子材料の表面近傍を伝搬させるようにしたものであって、超音波を水平伝搬させるための具体的手段としては、超音波送信子から高分子材料に入射された超音波が高分子材料の表面近傍を伝搬して超音波受信子に接する表面部位に到達し超音波受信子で受信されるような音響的屈折条件となるように、スネルの法則に従った角度で加工されたスペーサを送信子及び受信子と高分子材料表面との間に介在させる構成などを適用するものであるが、このようなスネルの法則に基づく水平伝搬波の入射条件は、高分子材料の音速に依存するため、高分子材料の劣化による音速の変動特性との関係を考慮しておく必要がある。スネルの法則によれば、音速ｖ１の媒質Ｍ１から入射角θ１で入射した音波が音速ｖ２の媒質Ｍ２中を侵入角θ２で進行するとした場合、その角度は、（ｃｏｓθ１）／ｖ１＝（ｃｏｓθ２）／ｖ２  の関係にある。上記の関係式において、θ２＝９０°となるときの入射角θ１が入射臨界角となり、これ以上の入射角では理想的な進行波の場合には全反射となるが、音波のような伝搬波の場合、その進行は媒質中において大きな分散を受けるため、必ずしも全反射に至るわけではなく、相当の広がりを持って屈折反射を生じる。一方、上述の図５〜６の特性データに示されているように、高分子材料を媒質とする水平伝搬波の音速は高分子材料の劣化により変動する。しかしながら、高分子材料の劣化による水平伝搬波の音速の変動幅は、縦波及び横波とも、おおよそ５%程度と小さいものであるため、音波のような伝搬波では、その分散により音速の変動分は十分にカバーされることになるので、例えば高分子材料への超音波の入射角をスネルの法則に基づいた入射臨界角とした場合でも、高分子材料の劣化度に関わらず、超音波を水平伝搬させることが可能となる。
【００１８】
本発明による高分子材料劣化診断法の診断対象となる機器としては、高分子材料を用いた機器であれば全てが対象になるが、特に高い信頼性が求められる重要機器を診断対象とする場合には、非破壊での高精度の劣化度診断が可能な本発明の劣化診断法が好適である。劣化の検査、診断の対象になる機器の具体的な例としては、各種変電機器や回転機などの電気機器があり、代表的な変電機器として、樹脂絶縁された変圧器、計測用変成器、開閉器などがある。これらの機器に使用されている高分子材料の部材は通常、数10ｃｍの大きさを持っており、本発明の診断部分の大きさである数ｍｍから10数ｍｍに比べ十分大きく、本発明は十分適用できる。もちろん本発明は変電機器以外でも高分子材料を用いた機器で劣化を診断する必要がある場合には広く適用できる。
劣化の原因となる使用時の高分子材料の温度は高分子材料の使用場所によって異なる。すなわち発熱部に近い箇所、下部より上部にある箇所、対流の悪い箇所などは温度が高くなりやすく劣化が進行しやすい。それらの箇所の高分子材料は診断の対象になる。これに対して温度が運転中も殆ど上昇しなく、直射日光などを受けない低温箇所の高分子材料は劣化が進行しないことから、未劣化サンプルとして扱うことができる。使用期間が数十年を経た機器で新規に未劣化サンプルを入手できない場合、本発明では上記のような低温箇所の高分子材料を劣化診断の比較サンプルとして利用できる。
【産業用の利用可能性】
【００１９】
本発明は、各種変電機器、例えば樹脂絶縁された変圧器、計測用変成器及び開閉器などに最適に利用できる。この外、樹脂絶縁された一般の電気機器あるいは高分子材料を構造材料とする製品に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】超音波伝搬特性測定系の概念図
【図２】超音波の水平伝搬特性を用いて高分子材料の劣化を診断するための送信子及び受信子の配置概念図
【図３】垂直伝搬縦波（Ｌ波）の音速と高分子材料の劣化時間との関係を示す特性図
【図４】垂直伝搬横波（ＳＶ波）の音速と高分子材料の劣化時間との関係を示す特性図
【図５】水平伝搬縦波（ＬＨ波）の音速と高分子材料の劣化時間との関係を示す特性図
【図６】水平伝搬横波（ＳＨ波）の音速と高分子材料の劣化時間との関係を示す特性図
【図７】水平伝搬縦波（ＬＨ波）の減衰率と高分子材料の劣化時間との関係を示す特性図
【図８】エポキシ樹脂の劣化時間と引張強度との関係を示す特性図
【図９】エポキシ樹脂の劣化試験による引張強度と超音波減衰率との関係を示す特性図
【符号の説明】
【００２１】
１・・・垂直送信子
２・・・垂直受信子
３・・・水平送信子
４・・・水平受信子
１０・・・被測定材料（垂直用）
１１・・・被測定材料（水平用）
１０１・・・超音波の垂直伝搬長
１０２・・・超音波の水平伝搬長
２０１・・・超音波の伝搬時間
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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