JP4339267B2 - 高耐熱電力用静止機器 - Google Patents

Description

本発明は、電力用静止機器であって、特に高い耐熱性を有するトランス、コンデンサ、リアクトル等の高耐熱電力用静止機器に関する。

可動部を有しない電力用機器であるトランス、コンデンサ、リアクトル等に代表される電力用静止機器は防災などの安全性の観点から絶縁のために不燃性の材料を用いる必要がある。しかし従来から用いられている不燃性の絶縁油であるＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニール）や不燃性のガスであるＳＦ₆（６弗化硫黄）ガス等は地球環境保護のために使用を控える必要がある。そこで、不燃性ではない樹脂により被覆（モールドともいう）して絶縁したモールド形電力用静止機器が広く用いられ始めている。

モールド形電力用静止機器の例として、典型的な従来例のモールド形変圧器について以下に説明する。
この従来例のモールド形変圧器は、６ｋＶの高電圧を２１０Ｖの低電圧に変換する定格７５０ｋＷの３相の変圧器であり、各相のコイルは、低電圧の巻線（２次巻線）と、低電圧の巻線の外側に巻かれた高電圧の巻線（１次巻線）を有している。各相のコイルは絶縁材であるエポキシ樹脂やシリコン樹脂でそれぞれモールドされている。２次巻線の中央部にはそれぞれの鉄心が設けられている。鉄心の上下を挟み込むようにして上部フレームと下部フレームが設けられ、３組の鉄心とコイルが一体に組立てられている。このようなモールド形変圧器は自然空冷のためにこの状態で設置される場合もあるが、キュービクルやケースに収納しファンで強制空冷するように構成する場合もある。
特開２００３−１５８０１８ 特開２００２−１５８１１８ 特開２００２−３２４７２７ 特開２００２−１４１２４７ 「電気工学ハンドブック（第６版）」（電気学会発行）の１８４頁から１９２頁、６９９頁から７０１頁、７０６頁、７３２頁から７３９頁

前記の従来例のような、エポキシ樹脂でモールドしたモールド形変圧器は、エポキシ樹脂の耐熱性からコイルの温度の上限が７０〜１２０℃程度に設定されており、使用中にこれ以上の温度にならないようにファンで冷却する場合が多い。エポキシ樹脂のモールド形変圧器では、使用中に大きな短絡電流や雷サージ電流が流れると、コイルの温度が前記の上限を超えて高くなることがある。エポキシ樹脂の耐熱性はそれほど高くなく、通常１８０℃以上の高温では劣化し、柔軟性が乏しくなり堅くなってしまう。そのためコイルの温度が高温状態から室温状態に戻るとき、エポキシ樹脂の内部に多数のクラックが発生することが多い。クラックが発生すると高電界には耐えることができず耐電圧特性が悪くなる。

シリコンゴムはエポキシ樹脂に比べると耐熱性が良いが、それでも２００℃程度が上限である。シリコンゴムはシロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）の線状構造をもつポリメチルフェニルシロキサンを含む合成高分子化合物である。シリコンゴムでモールド（被覆）したコイルでは、コイルの温度が２００℃以上の高温になると、ポリメチルフェニルシロキサンは柔軟性が乏しくなり、空気中で２２０℃以上になると表面がガラス化して完全に堅くなってしまう。これはポリメチルフェニルシロキサンの側鎖のメチル基やフェニル基が分解して蒸発するためと推察される。そのためコイルの温度が室温に戻ると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体の内部に多数のボイドやクラックが発生する。ボイドやクラックが発生すると高電界には耐えることができず耐電圧特性が悪くなる。

エポキシ樹脂やシリコンゴムは熱伝導率が０．１〜１．０Ｗ／ｍＫと比較的低く、これらでモールドしたコイルでは、コイルで発生する熱の十分な放散ができない。そのためモールドしない場合よりも定格容量を小さく設定しなければならない。また熱の放散が悪いため定格電流を上まわる比較的短時間の短絡電流によってコイルの温度が上昇する。その結果、場合によってはコイル導体の絶縁材および被覆材、更には低電圧の巻線と高電圧の巻線との接触を防ぐために両者間に設けた混触防止板などが熱破壊し耐電圧性を損ねてしまう。

以上のように、エポキシ樹脂やシリコンゴムなどの従来の高分子化合物でモールドしたコイルを有するモールド形変圧器、モールド形コンデンサ、モールド形リアクトル等のモールド形電力用静止機器は耐熱性や熱放散性が十分でなく、高温では高電界に耐えることができず耐電圧特性が悪くなるという問題を有していた。

本発明は、耐熱性の高い高耐熱電力用静止機器を提供するとともに、熱放散性に優れた高耐熱電力用静止機器を提供することを目的としている。

本発明の高耐熱電力用静止機器は、電力用静止機器に含まれる少なくとも１つの要素を、合成高分子化合物で被覆した、高耐熱電力用静止機器であって、前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結してなる、分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーを、付加反応により生成される共有結合で複数連結して、三次元の立体構造に形成されており、前記第１の有機珪素ポリマーの分子量が前記第２の有機珪素ポリマーの分子量より小さい、ことを特徴とする。
この発明によれば、高い耐熱性と高い耐電圧性を有する合成高分子化合物で電力用静止機器の要素を被覆することにより、高い耐熱性と高い耐電圧性を有する電力用静止機器が得られる。

本発明の高耐熱電力用静止機器は、機器を構成する主要な要素を、少なくともシロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有するポリシルセスキオキサンを主成分とする有機珪素ポリマーＡとシロキサンによる線状連結構造を有する有機珪素ポリマーＢとを含有し、有機珪素ポリマーＡとこれよりも分子量の大きい有機珪素ポリマーＢとをシロキサン結合により交互に線状に連結して分子量が２万から８０万の大型有機珪素ポリマーを構成し、この大型有機珪素ポリマー同士の付加反応により生成される共有結合で連結された三次元の立体構造を有する合成高分子化合物で覆う構成にしている。この合成高分子化合物は高耐熱性を有し、かつ高温でも高い耐電圧性を有するので、高耐電圧性を有する高耐熱電力用静止機器が得られる。

更に、この合成高分子化合物に高い熱伝導率を有する絶縁性セラミック微粒子を充填することにより、合成高分子化合物の熱伝導性を向上させた、高熱伝導率合成高分子化合物が得られる。高熱伝導率合成高分子化合物で被覆した前記要素は、その熱放散性（放熱性）が向上するので、熱放散性のよい高耐熱電力用静止機器が得られる。熱放散性がよいので空冷装置等が不要になり、装置構成が簡略化されて小型低廉になる。また、耐熱性及び放熱性に優れているので、電流密度を上げて定格容量を増大させることもできる。定格容量を同じにした場合には小型化できるので、軽量小型かつ安価な高耐熱電力用静止機器が得られる。
この合成高分子化合物は、高耐熱電力用静止機器を構成する各種材料との親和性が極めてよく、コイルなどの機器の主構成部品やケースなどの表面に強固に密着するので高い耐湿性を達成できるとともに、高温において特に信頼性の高い高耐電圧性を実現できる。

本発明の最良の実施の形態を以下に説明する。
本発明の高耐熱電力用静止機器は、少なくとも機器の主要な構成要素を新規な合成高分子化合物で覆うことを特徴とする。機器の主要な構成要素とは、例えば変圧器やリアクトルの場合はコイルであり、コンデンサ（キャパシタ）の場合は誘電体を含むコンデンサ素子である。これらの構成要素は高耐熱高耐電圧のものである。

本発明の新規な合成高分子化合物は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）、及びシロキサンによる線状連結構造を有する、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）を含有している。前記有機珪素ポリマーＡと前記有機珪素ポリマーＢとはシロキサン結合により交互に線状に連結されて大型の第３の有機珪素ポリマーを形成している。前記合成高分子化合物は、前記大型の第３の有機珪素ポリマーの複数のものが付加反応により生成される共有結合で立体的に連結されて三次元の立体構造を形成した化合物を含有している。

前記合成高分子化合物には、高い熱伝導性、すなわち高い熱伝導率を有する絶縁性セラミックスの微粒子を混合（充填ともいう）している。高い熱伝導率を有する絶縁性セラミックスの微粒子とは、窒化アルミニューム（ＡｌＮと記す）、酸化ベリリューム（ＢｅＯと記す）、アルミナ(Ａｌ₂Ｏ₃と記す)、多結晶絶縁ＳｉＣなどの微粒子であり、前記合成高分子化合物にこれらの内の少なくとも１種を充填することにより、高熱伝導率の合成高分子化合物が得られる。

前記の合成高分子化合物において、耐熱温度を高くしかつ硬化後も柔軟性を保つようにするためには、有機珪素ポリマーＡと有機珪素ポリマーＢとが交互にシロキサン結合により線状に連結して、重量平均分子量（以下、単に分子量と記す。）が２万から８０万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成し、この第３の有機珪素ポリマーの複数のものがアルキレン基で連結されているのが好ましい。

シロキサンの橋かけ構造を有する有機珪素ポリマーＡは、電気絶縁性と耐熱性に優れているが、粘度が大きすぎて流動性や硬化後の柔軟性が非常に悪い。そのため被覆を厚くできず、耐電圧を高くできない。本発明によれば、有機珪素ポリマーＡを、シロキサンの線状連結構造を有する有機珪素ポリマーＢを介して交互に線状に連結する。これにより、有機珪素ポリマーＢが備えている流動性や柔軟性を失うことなく有機珪素ポリマーＡの優れた耐熱性を保持しながら、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性が両立する合成高分子化合物を得ることができる。耐熱性をより高くするには有機珪素ポリマーＡの分子量を大きくすると良いが、その場合粘度が高くなり柔軟性も悪くなる。また、柔軟性を良くするには有機珪素ポリマーＢの分子量を大きくすると良いが、その場合耐熱性が低くなる。このように、有機珪素ポリマーＡと有機珪素ポリマーＢのそれぞれの分子量を調節することにより、合成高分子化合物の粘度と硬化後の柔軟性を所望の値に調節することができる。有機珪素ポリマーＡの好ましい分子量は２００から７万であり、有機珪素ポリマーＢの好ましい分子量は５千から２０万である。有機珪素ポリマーＡの分子量を有機珪素ポリマーＢの分子量よりも小さくするのが好ましい。

前記合成高分子化合物に混合する高熱伝導率を有する絶縁性セラミックス微粒子は、局部的な電界集中を避けて高耐電圧を実現するために、その形状は鋭くとがった先鋭部が少なく球形に近いものが好ましい。また、絶縁性セラミックス微粒子の混合率（以下、充填率という）が小さいと熱伝導率の増大効果は乏しいので、合成高分子化合物に占める絶縁性セラミックス微粒子の、充填率の体積比である体積充填率は１５％ｖｏｌから８５％ｖｏｌの範囲にあるのが好ましい。絶縁性セラミックス微粒子の粒径が大きすぎると体積充填率が低下するが、粒径が小さすぎても粒子同士がお互いに凝集しやすくなり、やはり体積充填率が低下する。このためその粒径は０．０１μｍから５０μｍの範囲が好ましい。絶縁性セラミックス微粒子がこの範囲の粒径の場合、上記の分子量を有する合成高分子化合物の立体構造の隙間に絶縁性セラミックス微粒子が効果的に取り込まれるとともに、４０％ｖｏｌ以上の体積充填率にすることにより絶縁性セラミックス微粒子同士が互に接触するので、高い充填率と高い熱伝導率が得られるものと考えられる。

体積充填率を５０％以上に高くするには、粒径の異なる絶縁性セラミックス微粒子をブレンドするのが良く、その粒径比は１：１／１０〜１：１／２００の範囲が好ましい。以上のような絶縁性セラミックス微粒子の充填により、２〜１２０Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率の合成高分子化合物を実現できる。具体例では、３〜８０Ｗ／ｍＫであるのが好ましい。充填された絶縁性セラミックス微粒子は合成高分子化合物の結合には影響を及ぼさないので耐熱性を損ねることはない。また、耐電圧性や粘度に及ぼす影響は上記の充填率や微粒子形状の範囲では実用上ほとんど問題を生じない。

本発明における合成高分子化合物は、結合のほとんどがシロキサン結合を有していることから、前記のように高い絶縁性すなわち高耐電圧性能を有する。また合成高分子化合物は銅、アルミニューム、ステンレス等のコイルやケース等を構成する各種金属、芳香族ポリアミド（アラミド紙）やエナメルなどのコイル導体の絶縁材および被覆材、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びフェノール樹脂等のケース等を構成する各種樹脂及び各種ガラス等との接着性が極めて良好でありこれらに強固に付着する。このためすきまのない強固な密着状態を実現でき高い耐湿性が得られる。その結果として高い信頼性と高い耐電圧性能を有する電力用静止機器が得られる。
例えばコイルの導体を絶縁被覆する絶縁材および被覆材にピンホール等の欠陥が存在してコイル導体の金属が露出している場合でも、合成高分子化合物がコイル導体の金属の表面を直接保護することができる。

本発明における合成高分子化合物は、大部分がシロキサン構造を有するため、紫外線および可視光線に対する透光性が高い。このため、例えばコイルの被覆工程において、ケースや金型にコイルをセットして合成高分子化合物を流し込んだ際、硬化前の状態で気泡やボイド等が存在しないことを目視により確かめることができる。そのため生産性が著しく向上する。
合成高分子化合物に充填された絶縁性セラミックス微粒子は、上記の透光性や半導体素子を構成する材料との接着性に若干影響を及ぼすが、上記の充填率や粒径の範囲では実用上ほとんど問題を生じない。

以下、本発明の好適な実施例を図１から図３を参照して説明する。各図において、各要素の構成の理解を容易にするために、図示された各要素の寸法は実際の寸法とは対応していない。
＜＜第１実施例＞＞

本発明の第１実施例の高耐熱電力用静止機器であるモールド変圧器を図１を参照して説明する。
図１は絶縁材として本発明の合成高分子化合物を用いてモールドした３相モールド変圧器であり、例えば、一次側電圧が６ｋＶ、二次側電圧が２１０Ｖ、定格容量が７５０ｋＶＡの内鉄形のモールド変圧器である。定格電流は一次側が６５Ａ、二次側が２０６０Ａである。３つのモールドコイル１０、１１、１２は３相の各相のコイルであり、断面が略長円の柱状に形成されている。モールドコイル１０〜１２には、図の縦方向に貫通する鉄心１５、１６、１７が設けられている。モールドコイル１０〜１２は各々二次側の低電圧巻線が内側に、一次側の高電圧巻線が外側になるように構成されている。３相の３つの低電圧巻線は低圧端子２５ａ、２５ｂ、２５ｃにそれぞれ接続され、高電圧巻線は高圧端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃにそれぞれ接続されている。鉄心１５〜１７の上下端部分を挟み込むように上部フレーム１８と下部フレーム１９が設けられている。下部フレーム１９の両端部には据付板２１が防振ゴム２２を介して取り付けられている。

モールドコイル１０〜１２は例えば、高さ８４ｃｍ、長径５０ｃｍの長円柱であり、上下の端面及び側面は厚さが約４〜５ｃｍの合成高分子化合物で被覆されている。モールドコイル１０〜１２の製作工程は以下の通りである。モールドコイル１０〜１２は同一の構成なので、モールドコイル１０について説明する。

鉄心１５の入る孔を形成するための型枠に、高耐熱、高耐電圧のポリイミド樹脂で被覆した銅線で、２次巻線と１次巻線を順次従来からの方法によって巻いてコイル１０を作る。１次巻線と２次巻線との間には、両者間の絶縁を保つためにポリイミド樹脂などによる混触防止板が設けられている。次にコイル１０を、断面が略長円形の筒状の金型（図示省略）内に挿入する。金型とコイル１０の間には４〜５ｃｍの隙間ができるように金型の寸法が設定されている。金型を真空チャンバー内に入れ、真空チャンバー内の空気を抜いて低圧にし、本発明の合成高分子化合物を金型とコイル１０の間に流し込む。次に金型とコイル１０を６０℃程度の温度に加熱して合成高分子化合物の粘度を下げて所定時間保ち、合成高分子化合物をコイル１０の隙間にも十分含浸させる。次に金型とコイル１０を約２００℃に加熱して所定時間保ち合成高分子化合物を硬化させる。合成高分子化合物は、第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）としてポリメチルシルセスキオキサンを含有し、第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）としてポリメチルフェニルシロキサンを含有する透明な合成高分子化合物である。

合成高分子化合物の粘度を適切に調節することにより、コイル全体を約４〜５ｃｍの肉厚で気泡やボイドやすきまがないように覆うことができる。合成高分子化合物の粘度が高すぎると、モールドしたときコイル１０の隙間に十分含浸できずコイル１０の巻線間やコイル１０と合成高分子化合物との間に隙間が出来ることがある。逆に粘度を低くするため分子量を過度に小さくすると耐熱性が低下する。耐熱性が高く硬化後に高温でも適度の柔軟性を保てるようにするために、本実施例では有機珪素ポリマーＡとして分子量が約３０００のポリメチルシルセスキオキサンと、有機珪素ポリマーＢとしては分子量が約１万のポリメチルフェニルシロキサンとを交互にシロキサン結合により線状に連結して分子量が約４万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成している。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を構成している。このようにして構成した合成高分子化合物の粘度は約１万ｃｐ程度である。しかし、粘度は温度に強く依存するので、本実施例では製作にあたって、上記のように一旦６０℃に加熱して粘度を３０００〜５０００ｃｐ程度に低くして約３時間維持し、十分にコイル間に合成高分子化合物を含浸させた後に２００℃に上げて硬化させている。硬化後金型から取り出し型枠を除去することにより、モールドコイル１０〜１２が得られる。

本実施例のモールドコイル１０〜１２を用いて構成した図１に示すモールド変圧器の動作に関して、従来の変圧器と異なる特徴的な点に関して以下に説明する。本実施例のモールド変圧器は、エポキシ樹脂を用いてモールドした同一規格の従来のモールド形変圧器に比べると、定格電流及び短絡電流を約１．６倍にすることができる。この状態で動作させると、モールドコイル１０〜１２の温度はかなり上昇するが電気的機械的な異常は生じなかった。これは、本合成高分子化合物の５重量％減少温度が４１０℃と高く、且つ高温でも柔軟性を維持できるためである。モールドコイル１０〜１２の温度が上昇すると、鉄心１５〜１７の温度も上昇するが、鉄心１５〜１７の鉄損は温度が高くなると減少するので、変圧器の変換効率が高くなるという効果も得られる。前記の１．５倍の短絡電流でコイルの温度は３４０℃近くまで上昇すると推測されるが、この程度の温度ではコイル周辺の本合成高分子化合物が劣化することはなく、高耐電圧を維持することができた。また、低圧巻線と高圧巻線との間に生じる電磁的な反発力に対しても、本合成高分子化合物は３４０℃近くの高温でも高い柔軟性を維持できるのでこの反発力を吸収することができ、合成高分子化合物にクラックが生じることはなかった。

本実施例のモールド形変圧器は、効率が９８．２％であり、電圧変動率は、１．７％、無負荷電流は３．５％、短絡インピーダンスは４．５％であり、高い特性を有していた。交流耐電圧印加試験、雷パルス試験及び信頼性試験などにおいても従来のものと同等以上の結果が得られた。
以上のように、本実施例のモールド変圧器は従来のエポキシモールド変圧器に比べて耐熱性が高く、他の特性を損ねることなくほぼ同形状で定格電流、すなわち定格容量を約１．６倍に増大できた。
本実施例ではモールド形の変圧器について説明したが、本発明は、コイルが１つしかないリアクトル等にも適用可能である。
＜＜第２実施例＞＞

本発明の第２実施例は、前記第１実施例における合成高分子化合物の熱伝導率を高くするために、合成高分子化合物に絶縁性セラミックスの微粒子を混合（充填ともいう）した高熱伝導率合成高分子化合物、及びこれを用いて構成したモールド変圧器に関する。すなわち、前記実施例１のモールド変圧器のモールドコイル１０〜１２を、本実施例２の高熱伝導率合成高分子化合物でモールドする。絶縁性セラミックス微粒子としては粒径が約２μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子を約４８％ｖｏｌの体積充填率で充填し、高熱伝導率の合成高分子化合物を構成した。絶縁性セラミックス微粒子の充填により、合成高分子化合物の耐熱性や耐電圧性、柔軟性をほとんど損ねることなく、熱伝導率を約０．３Ｗ／ｍＫから約６．７Ｗ／ｍＫに増大できた。本実施例２の合成高分子化合物を用いて前記第１実施例と同様にモールドコイル１０〜１２を製作した。

本実施例２の合成高分子化合物を用いると、モールドコイル１０〜１２の熱放散が良くなるので、定格電流及び短絡電流を、従来のエポキシ樹脂を用いた従来のモールドコイルにおける定格電流及び短絡電流の約２．１倍にしても特に電気的機械的な異常は生じなかった。本実施例２のモールド形変圧器の効率、無負荷電流、短絡インピーダンスなどの電気的性能は従来のものとほとんど同じであり、信頼性においては従来のものより優れていた。以上のように、本実施例のモールド変圧器は実施例1のものに比べて熱放散性が高く、ほぼ同じ形状寸法で定格電流、すなわち定格容量を更に増大することができる。
＜＜第３実施例＞＞

本発明の第３実施例の高耐熱電力用静止機器であるモールドコンデンサを図２を参照して説明する。
図２はモールド用の絶縁材として本発明の高熱伝導率合成高分子化合物を用いたモールドコンデンサ３０の部分破断斜視図である。このモールドコンデンサ３０は、例えば定格電圧２３５Ｖ、定格電流９５Ａ、定格容量１８００μＦのものであり、幅が約４５ｃｍ、高さが約５０ｃｍ、奥行きが約２０ｃｍである。

モールドコンデンサ３０は、並列接続された例えば１０個のコンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ・・・（図２では３個が見えている）を有し、両端子は、それぞれのブッシング３４、３５により導出された外部接続端子３６、３７に接続されている。各コンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ・・・は周知の構成を有するものである。例えば誘電体としての厚さ３μｍのポリフェニレンスルフィドのフィルムの両面に、電極としてアルミニューム膜を約２０ナノメートルの厚さで蒸着したシートを作り、これを偏平形状に巻いてコンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃを構成している。コンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃのそれぞれの上端面３２ａ、３２ｂ、３２ｃには亜鉛合金を溶射して取出し電極を形成し、これに高温半田でリード線（図示省略）を取り付けている。図２では上端面のみしか見えていないが下端面も同様に構成されてリード線が取り付けられている。

このコンデンンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃをそれぞれ前記第２実施例の高熱伝導率合成高分子化合物で被覆する（１次モールド）。１次モールドしたコンデンンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ・・・の各リード線を並列接続し、ブッシング３４、３５を有する接続端子３６、３７に接続する。次にコンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ・・・を図２に示すように配列し、ブッシング３４、３５と共に図示を省略した容器状の金型に入れる。金型を真空チャンバーに入れて低い気圧にし、コンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃと金型との間に前記の高熱伝導率合成高分子化合物を流し込んで加熱硬化させて２次モールドする。その結果、コンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ・・・は図２に示すように厚み２〜３ｃｍの２次モールド被覆体３３により被覆される。金型の下部にあらかじめ取付金具４０を配置しておくことにより、取付金具４０も２次モールド被覆体３３に固定される。通常のポリフェニレンスルフィドは分子量が５万以下であるが、本実施例では耐熱性を向上するために分子量を６万から６５万程度、好ましくは１０万から３０万程度に大きくしている。この結果コンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃとしての耐熱温度は２００℃になった。

本実施例で用いる高熱伝導率合成高分子化合物は、その粘度が高すぎると、金型とコンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃとの間にすきまやボイドが生じないようにモールドするのが困難である。逆に粘度を低くするために分子量を過度に小さくすると耐熱性が低下する。好適な粘度にするために、本実施例では、有機珪素ポリマーＡとしての分子量が約１５００のポリエチルシルセスキオキサンと、有機珪素ポリマーＢとしての分子量が約６万のポリメチルシロキサンとを交互にシロキサン結合により線状に連結して、分子量が約２０万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成している。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて、三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を構成している。この合成高分子化合物が所望の高い熱伝導率を有するように、絶縁性セラミックス微粒子として粒径が約３μｍのＡｌＮ微粒子と粒径が約０．１μｍのＡｌＮ超微粒子とを６：４の体積比で約４９％ｖｏｌの体積充填率になるように充填している。その結果、耐電圧性能を損ねることなく約９．５Ｗ／ｍＫの高熱伝導率を有する合成高分子化合物が得られた。
上記の１次モールドおよび２次モールドに当たっては、コンデンサ素子間等に十分に合成高分子化合物を含浸させるために、粘度が温度に強く依存することを利用して硬化前に約６５℃の温度で加熱する。これにより合成高分子化合物の粘度を４０００〜６０００ｃｐ程度に低くして３時間維持し、その後に２００℃に上げて硬化させている。

この第３実施例のモールドコンデンサ３０は２００℃の高温で耐電圧が約３８０Ｖ以上であった。この耐電圧（最大許容電圧）は、従来のエポキシ樹脂でモールドしたモールド形コンデンサの温度１２０℃における耐電圧の約１．６倍である。最大許容電流も同様に上記従来のものの約１．５倍であった。絶縁抵抗は２０℃でＤＣ１００Ｖを印加したとき２０００ＭΩ以上と十分高く、高温でも実用上十分な絶縁性が得られた。静電容量の温度依存性も良好であり、１３０℃まではほとんど温度依存がなく１４０℃以上で静電容量はわずかに増加するが、その増分は２００℃でも５％以下であり実用上問題のないレベルである。誘電体の誘電損が主因となる損失率も温度２０℃、周波数１ｋＨｚで０．１３％以下と良好であり、高温でも実用上十分な損失率を確保できた。また、高調波やサージによる発熱に強く、エポキシ樹脂モールド形コンデンサに比べて約１．４倍のより大きな高調波電圧やサージ電圧にも耐えることができた。定格電圧の１．５倍の電圧を印加し、３０００時間の長期連続課電試験を実施したが静電容量、損失率等の諸特性に大きな変化は見られなかった。さらに、温度８０℃、湿度９５％での耐湿試験を１０００時間以上の長時間行ったが特に異常は生じなかった。また、温度を３０℃から１９０℃の範囲で変化させて１００回の温度サイクル試験を行った後、上記と同じ耐湿試験を行ったが異常はなかった。これらは、いずれも本実施例のモールドコンデンサの耐熱性と熱放散性が向上した結果によるものである。本発明の高熱伝導率合成高分子化合物を、長期連続課電試験や耐湿試験後に目視検査したが、外周や内部に白濁やクラックの発生は見られなかった。また分解検査をして調べた結果、コンデンサ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃ・・・と高熱伝導率合成高分子化合物との密着性は良好でありクラックやボイドなどの発生は見られなかった。
以上のように、本実施例のモールドコンデンサは、従来のエポキシモールドコンデンサに比べて、大幅に耐熱性を向上できるとともに、ほぼ同形状の従来のものに比べて、最大電圧、最大電流、高調波電圧に対する耐電圧及びサージ電圧に対する耐電圧を約１．４〜１．５倍に大きくすることができた。
＜＜第４実施例＞＞

本発明の第４実施例の高耐熱電力用静止機器であるプラスチックモールドフィルムコンデンサを図３を参照して説明する。
図３はモールド用の絶縁材として本発明の高熱伝導率合成高分子化合物を用いてモールドしたモールドコンデンサ５０であり、定格電圧１０００Ｖ、定格電流５Ａ、定格容量１０μＦのものである。
コンデンサ素子５１の構成は従来から周知のものであり、誘電体として厚さ約６μｍのポリ４フッ化エチレンフィルムを用い、その両面に厚さ約３０ｎｍ（ナノメートル）のアルミニューム金属電極を蒸着し、これを長方形状に折り重ねてコンデンサ素子を構成している。コンデンサ素子５１の両端にはリードピン５２及び５３を、融点が２５０℃以上の高温半田で取り付けている。このコンデンンサ素子５１を高熱伝導率合成高分子化合物５４でモールドしてモールドコンデンサ５０を構成している。モールド後の外形寸法は、幅が３２ｍｍ、厚さが１６ｍｍ、リードピン５２、５３方向の高さが２６ｍｍである。誘電体として融点が高耐電圧も高いポリ４フッ化エチレンを用いているので、コンデンサ素子５１としての耐熱温度を高くできる。

通常のポリ４フッ化エチレンは分子量が５万以下であるが、本実施例では耐熱性を向上させるために分子量を６万から７０万程度、好ましくは１０万から５０万程度に大きくしている。更に好ましくは前記分子量を２０万から３５万に大きくするとよい。この結果コンデンサ素子としての耐熱温度は２３０℃になった。高熱伝導率合成高分子化合物は粘度が高すぎると、すきまやボイドが生じないようにモールドするのが困難である。逆に粘度を低くするため分子量を過度に小さくすると、耐熱性が低下する。所望の粘度にするために、本実施例では有機珪素ポリマーＡとして分子量が約１万のポリフェニルシルセスキオキサンと、有機珪素ポリマーＢとして分子量が約９万のポリジメチルシロキサンとを交互にシロキサン結合により線状に連結して、分子量が約３０万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成している。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものを付加反応によりアルキレン基で連結させて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物を構成している。また、所望の高い熱伝導率を得るために、この合成高分子化合物には絶縁性セラミックス微粒子として粒径が約２．５μｍのＡｌＮ微粒子と粒径が約０．０７μｍのＡｌＮ超微粒子とを６：４の体積比で約６３％ｖｏｌの体積充填率になるように充填している。その結果、耐電圧性能を損ねることなく約２１Ｗ／ｍＫの高熱伝導率を達成できた。
コンデンサ素子５１をモールドするために、高熱伝導率合成高分子化合物の入った槽に入れて浸すに当たっては、コンデンサ素子間に十分に高熱伝導率合成高分子化合物を含浸させるために、高熱伝導率合成高分子化合物を約７０℃の温度にして粘度を３５００〜５０００ｃｐ程度に低くしコンデンサ素子５１を約３０分浸す。その後に槽から取り出して２２０℃の不活性ガス中で加熱して硬化させている。

この第４実施例のモールドコンデンサ５０は２３０℃の高温において耐電圧が約１６００Ｖ以上であり、エポキシ樹脂の従来のモールドコンデンサに比べて約１．６倍の高い最大許容電圧を実現できた。最大許容電流も従来のコンデンサの約１．８倍であった。絶縁抵抗は温度２０℃、ＤＣ５００Ｖで３０００ＭΩ以上であり、従来のコンデンサより高い。静電容量の温度依存性も良好であり、１８０℃まではほとんど温度依存がなく、１８０℃から２３０℃の範囲での変化は５％以下であり実用上問題のないレベルである。誘電体の誘電損が主因となる損失率も温度２０℃、周波数１ｋＨｚで０．１３％以下と良好であり、高温でも実用上十分な損失率を確保できた。また、高調波やサージによる発熱にも強く、エポキシ樹脂モールド形コンデンサに比べて１．８倍以上のより大きな高調波電圧やサージ電圧にも耐えることができた。定格電圧の１．５倍の電圧を印加して連続課電試験を３０００時間実施したが静電容量や損失率等の諸特性に大きな変化は見られなかった。温度８０℃、湿度９５％での耐湿試験でも、１０００時間以上の長時間にわたって特に異常は生じなかった。また、温度が３０℃から２００℃の範囲で１００回の温度サイクル試験をした後、上記と同じ耐湿試験をしたが異常はなかった。本発明の高熱伝導率合成高分子化合物を、長期連続課電試験や耐湿試験後に目視で検査したが、外周や内部に白濁やクラックの発生は見られなかった。また分解検査をして、コンデンサ素子５１と合成高分子化合物５４の密着性を調べたが良好でありクラックやボイドなどの発生は見られなかった。
以上のように、本実施例のモールドコンデンサは、他の特性を損ねることなく耐熱性を向上でき、従来のものとほぼ同形状で最大容量電圧や電流、高調波電圧耐量やサージ電圧耐量を更に増大できた。

以上、４つの実施例を説明したが、本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。
例えば、変圧器は内鉄形、外鉄形のいずれにも適用できる。また本発明は単相、三相いずれの変圧器、金属ケースに収納されたりモールド封入されたものでも良く、柱上変圧器及び路上変圧器にも適用できる。定格容量では、例えば、７万〜２２万Ｖ級の大容量のモールド形変圧器や１０〜１００ＭＷ級の大容量のモールド形変圧器にも適用できる。また小型、軽量化に好適なので、電車や電気自動車などの車両用変圧器や事故時の応急用可搬型変圧器に適用しても大きなメリットを得られる。

コンデンサは、誘電体として、分子量が５０００から２５万程度、好ましくは１万から１０万程度の高分子量のポリイミドフィルムなどの他の高耐熱フィルムを用いたコンデンサでも良い。また、セラミックコンデンサや電気二重層コンデンサなどでも良い。更にポリフェニレンスルフィドやポリ４フッ化エチレンまたはポリイミドに、チタン酸バリウム、酸化チタン、チタン酸ストロンチウムなどの、好ましい粒径が０．０１μｍから５μｍの誘電体セラミック微粒子を分散させた誘電体フィルムを用いると、更に耐熱性を高くできるとともに、単位体積当たりの静電容量を大きくすることができる。
例えば、変圧器は更に大型かつ高電圧用のものにも適用できる。コンデンサはセラミックコンデンサや電気二重層コンデンサなどにも適用できる。更にコンデンサの構造はチップ形でもよい。更に図２に示す実施例３の形式としては金属ケースに収納されたりモールド封入されたものでも良く、定格容量が３．３ｋＶや６．６ｋＶ級で１ｋＷ〜１０ＭＷの高電圧大容量のモールド形コンデンサでも良い。

本発明は、変圧器やコンデンサ以外の、リアクトル、変成器、抵抗及び酸化亜鉛素子などに代表される固体素子を内蔵した電力用固体避雷器、電力用ヒューズ等の電力用静止機器にも適用可能である。
また３３ｋＶ以上の高耐圧大容量油入変圧器などで広く使用されているコンデンサブッシングにおいて、コンデンサ部分に本発明の高耐熱コンデンサを適用するなど、大型の電力用静止機器の一部に部品として適用する場合も本発明に包含されるものである。
更に、遮断器、開閉器、各種の大型開閉装置、各種のモータ及び発電機などの可動部を有する電力用機器の一部に用いる静止機器部品として適用する場合も本発明に包含されるものである。

合成高分子化合物に含まれる有機珪素ポリマーＡはポリフェニルシルセスキオキサンやポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン以外にポリプロピルシルセスキオキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上のものが含有されたものでもよい。また有機珪素ポリマーＢはポリジメチルシロキサンやポリジフェニルシロキサンだけでなく、ポリジエチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上のものが含有されたものでもよい。

モールド電力用静止機器の外囲器は当然ながら、耐熱性の高い他のエポキシ樹脂、例えば硬化剤としてポリイミダゾールを用いたエポキシ樹脂などでもよい。
また、絶縁性セラミックス微粒子としてはダイヤモンドや窒化ホウ素などの熱伝導率の高い他の絶縁性セラミックス微粒子でも良い。

本発明は、高耐熱電力用静止機器に利用可能である。

本発明の第１実施例のモールド変圧器 本発明の第３実施例のモールドコンデンサ 本発明の第４実施例のモールドコンデンサ

符号の説明

１０、１１、１２ モールドコイル
１５、１６、１７ 鉄心
１８ 上部フレーム
１９ 下部フレーム
２１ 据付板
２２ 防振ゴム
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ 低圧端子
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ 高圧端子
３０ モールドコンデンサ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ コンデンサ素子
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 上端面
３３ ２次モールド被覆体
３４、３５ ブッシング
３６、３７ 接続端子
４０ 取付金具
５０ モールドコンデンサ
５１ コンデンサ素子
５２、５３ リードピン
５４ 高熱伝導率合成高分子化合物

Claims (12)

1. 電力用静止機器に含まれる少なくとも１つの要素を、合成高分子化合物で被覆した、高耐熱電力用静止機器であって、
   前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結してなる、分子量が２万から８０万の第３の有機珪素ポリマーを、付加反応により生成される共有結合で複数連結して、三次元の立体構造に形成されており、
   前記第１の有機珪素ポリマーの分子量が前記第２の有機珪素ポリマーの分子量より小さい、ことを特徴とする高耐熱電力用静止機器。
   
2. 前記第１の有機珪素ポリマーの分子量が２００から７００００であり、前記第２の有機珪素ポリマーの分子量が５０００から２０００００である、ことを特徴とする請求項１記載の高耐熱電力用静止機器。
   
3. 前記合成高分子化合物は、高い熱伝導性を有する絶縁性セラミックスの微粒子を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高耐熱電力用静止機器。
4. 前記要素としての、誘電体と導電体を有するコンデンサ素子を、前記合成高分子化合物で被覆したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高耐熱電力用静止機器。
5. 前記要素としてのコイルを、前記合成高分子化合物で被覆したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高耐熱電力用静止機器。
6. 前記絶縁性セラミックスの微粒子は、窒化アルミニューム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、及び多結晶の絶縁性炭化珪素（ＳｉＣ）のそれぞれの粒子の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項３に記載の高耐熱電力用静止機器。
7. 前記絶縁性セラミックスの粒子の粒径が０．０１μｍから５０μｍである請求項３に記載の高耐熱電力用静止機器。
8. 前記絶縁性セラミックスの微粒子の前記合成高分子化合物への体積充填率が１５％ｖｏｌから８０％ｖｏｌの範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の高耐熱電力用静止機器。
9. 前記絶縁性セラミックスの微粒子は、粒径比が１：１／１０から１：１／２００の範囲の、粒径の異なる複数の粒径の微粒子を含むことを特徴とする請求項３に記載の高耐熱電力用静止機器。
10. 前記コンデンサ素子は、高分子量の、ポリフェニレンスルフィド、ポリ４フッ化エチレン及びポリイミドから選択した１種のフィルムの両面に導電体膜を形成して構成され、前記コンデンサ素子を、前記合成高分子化合物で被覆したことを特徴とする請求項４記載の高耐熱電力用静止機器。
11. 前記コンデンサ素子は、チタン酸バリウム、酸化チタン及びチタン酸ストロンチウムから選択した少なくとも１種の誘電体セラミックの微粒子を分散させた、分子量が１０万から３０万のポリフェニレンスルフィド、分子量が１０万から５０万のポリ４フッ化エチレン及びポリイミドから選択した１種のフィルムの両面に導電体膜を形成して構成され、前記コンデンサ素子を、前記合成高分子化合物で被覆したことを特徴とする請求項４記載の高耐熱電力用静止機器。
12. 前記コンデンサ素子は、チタン酸バリウム、酸化チタン及びチタン酸ストロンチウムから選択した少なくとも１種の誘電体セラミックの微粒子を分散させた、分子量が１０万から３０万のポリフェニレンスルフィド、分子量が１０万から５０万のポリ４フッ化エチレン及びポリイミドから選択した１種のフィルムの両面に導電体膜を形成して構成されていることを特徴とする請求項４記載の高耐熱電力用静止機器。
    

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