JP4677005B2 - 真空インタラプタ - Google Patents
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Description
本発明は真空インタラプタに関する。
真空遮断器において、負荷開閉及び故障電流遮断は真空インタラプタ内の真空状態で行われるが、真空インタラプタ(Vacuum Interrupter)の外部絶縁は様々な媒質内で行われる。ＶＣＢ(Vacuum Circuit Breaker)のように真空インタラプタが空気内で絶縁するか、ＯＣＢ(Oil Circuit Breaker)のようにオイルで真空インタラプタが巻かれて絶縁する。また、高圧開閉器のようにＳＦ６ガスを用いて絶縁することもある。しかしながら、このような絶縁方式には多数の問題点がある。
ＶＣＢのような空気絶縁方式は、空気の低い絶縁耐力のために高い脳衝撃電圧が要求されるところでは使用できない。また、ＯＣＢのようなオイル絶縁を用いる場合は、オイルの爆発危険性のために最近では殆ど使用していない。最後に、高圧開閉器のようにＳＦ６ガスを用いる場合、高い脳衝撃電圧が要求されるところで使用が可能で爆発危険性はないが、環境的側面で使用が規制されているのが実情である。
このような傾向により、最近では固体絶縁方式のうち、エポキシ成形の際に真空インタラプタを挿入する一体型の固体絶縁方式が用いられている。
しかしながら、前記固体絶縁方式を用いる真空インタラプタはエポキシ樹脂でモールディングする場合、エポキシ樹脂と真空バルブの上、下固定プレート又はセラミック間の接合面の接着性に応じて真空インタラプタの電気的・機械的特性の差が発生する。前記接合面が同一材料からなる場合には、真空インタラプタの初期製作時に接着力を極大化することにより、前記電気的・機械的特性の差が解決できるが、エポキシ一体型の真空インタラプタの製造及び使用時に真空インタラプタを構成する金属またはセラミックとこれを外部で取り囲むように成形されるエポキシとの材料が異なるので、その物性の差による熱膨張係数の差により界面の剥離またはクラックが生ずる恐れがあるため、これを補完するためにゴム材質の緩衝層が適用された。
図１は、従来のエポキシ樹脂モールディング型の真空インタラプタの内部構造を示した縦断面図である。図１に示したように、真空インタラプタ１０１の外側にはエポキシ樹脂などの固体絶縁物１０３が成形されており、真空インタラプタ１０１の外面にはセラミック１０４とエポキシ１０３との熱膨張係数の差による熱応力を吸収するためのゴム材質の緩衝層１０２が形成されている。しかしながら、前記ゴム材質の緩衝層１０２は、セラミック１０４とエポキシ１０３との物理的な密着を補助することにより、セラミック絶縁ケース１０４とエポキシ層１０３との間の機械的な接触力を増大させうるが、セラミック層１０４、緩衝層１０２及びエポキシ層１０３との間には微細な界面間の剥離が存在しうる。また、真空インタラプタ１０１の外部形状に応じて緩衝層１０２が真空インタラプタの外部と完全に密着して界面内のボイド(void)のような欠陥を完全に除去すべきであるが、チューブ形状の緩衝層１０２を適用する場合、真空インタラプタ１０１の金属部及びセラミック間の接合部のような凹凸部分は緩衝層１０２が完全に充填せずに欠陥の発生する可能性がある。また、液状やゲル状のゴム材料の塗布時にも塗布中に緩衝層の内部にボイドの発生する可能性がある。
上述したように、真空インタラプタは初期の製造過程の緩衝層を形成する過程でボイドなどの欠陥が発生し、かかる欠陥は使用中の機械的な動作衝撃又は温度変化による収縮膨張過程でも発生することがある。さらに、真空インタラプタのエポキシ成形工程中には緩衝層を形成するための追加工程が必要になり、前記緩衝層を製造するためにも追加工程及びコストが必要である。
このような界面間の剥離または層内のボイドは、エポキシ成形真空インタラプタの部分放電特性を大幅に低下させる要因となり、界面及びエポキシ樹脂内における部分放電の発生と電気的ツリーの発生可能性がより高くなる。これにより、真空インタラプタの長期的な使用時にエポキシ樹脂の絶縁特性に対する信頼度を低下させるという問題点がある。
したがって、前記問題点を解決するための本発明の目的は、エポキシ樹脂モールディング用の真空インタラプタにゴム材質の緩衝層のない新たな界面処理方式を適用することにより、電気的・機械的特性に優れているのみならず、コストが低減できる真空インタラプタを提供することである。
したがって、前記問題点を解決するための本発明の目的は、エポキシ樹脂モールディング用の真空インタラプタにゴム材質の緩衝層のない新たな界面処理方式を適用することにより、電気的・機械的特性に優れているのみならず、コストが低減できる真空インタラプタを提供することである。
前記目的を達成するための本発明は、上部導体及び下部導体を具備したセラミック絶縁ケースと、前記絶縁ケースの外部面に成形される釉薬層と、前記釉薬層の外部面をサンドブラスターで処理して形成される突起層と、前記突起層の外部面にシーラント結合剤を塗布して形成されるシーラント結合剤層と、前記シーラント結合剤層の外部面に成形されるエポキシ樹脂絶縁層と、を含み、前記シーラント結合剤層は前記釉薬層及び前記エポキシ樹脂絶縁層と化学的に結合する真空インタラプタを提供する。
また、前記シーラント結合剤が前記セラミック絶縁ケースの前記上部導体及び下部導体の外部面に塗布されることを特徴とする真空インタラプタを提供する。
また、前記シーラント結合剤は、下記の化学式１で表現される化合物であることを特徴とする真空インタラプタを提供する。
［化学式１］
Ｒ：有機反応基グループ，（ＣＨ２）ｎ：リンカー，Ｓｉ：珪素，
Ｘ３：加水分解性アルコキシ反応基グループ
(前記化学式１において、Ｒは反応基の存在する炭素数１〜１５の脂肪族または芳香族炭化水素であり、ｎは１〜１０の整数であり、Ｘは炭素数１〜１５の脂肪族または芳香族アルコキシ基である。)
また、前記エポキシ樹脂絶縁層は寸法安定剤としてシリカを含むことを特徴とする真空インタラプタを提供する。
［化学式１］
Ｒ：有機反応基グループ，（ＣＨ２）ｎ：リンカー，Ｓｉ：珪素，
Ｘ３：加水分解性アルコキシ反応基グループ
(前記化学式１において、Ｒは反応基の存在する炭素数１〜１５の脂肪族または芳香族炭化水素であり、ｎは１〜１０の整数であり、Ｘは炭素数１〜１５の脂肪族または芳香族アルコキシ基である。)
また、前記エポキシ樹脂絶縁層は寸法安定剤としてシリカを含むことを特徴とする真空インタラプタを提供する。
また、本発明は、真空インタラプタの製造方法において、セラミック絶縁ケースを準備するステップと、前記セラミック絶縁ケースの外部面に釉薬処理をして釉薬層を形成するステップと、前記釉薬層の外部面をサンドブラスターで処理して突起層を形成するステップと、前記突起層の外部面にシーラント結合剤を塗布してシーラント結合剤層を形成するステップと、前記シーラント結合剤層の外部面にエポキシ樹脂絶縁層を成形するステップと、を含むことを特徴とする真空インタラプタの製造方法を提供する。
上述したように、本発明による真空インタラプタはエポキシ絶縁層の直接成形方式を適用して優れた接着特性を確保することにより、従来の緩衝層がなくても真空インタラプタの表面とエポキシ樹脂の接着性を向上させることにより、機械的強度及び部分放電などの電気的な特性をはるかに向上させうる。また、本発明の真空インタラプタは界面の接着性の増大を通じて剥離現象を除去し、ボイドの発生を最小化することにより、既存のゲル状のシリコン緩衝層方式に比べて約５０％以上の部分放電消滅電圧の上昇効果があった。
以下、本発明の一実施形態である真空インタラプタを添付図面に参照してより詳しく説明する。
図２は本発明の一実施形態である真空インタラプタの内部の構造を示した縦断面図である。より詳しくは、図２は、真空インタラプタのセラミック絶縁ケース１０４、２０３の表面にシーラント結合剤を塗布した後、外部にエポキシ樹脂を加圧ゲル化成形法により一体に成形した構造を示している。図２の真空インタラプタは、セラミック２０３、シーラント結合剤塗布面２０２及びエポキシ樹脂絶縁層２０１で構成される構造である。このような図２のエポキシ成形真空インタラプタを製造する過程は、真空インタラプタを洗浄し、その外部面にシーラント結合剤を塗布した後、予熱し金型装着及び成形過程を通じて後硬化させるように行われる。この際、シーラント結合剤の塗布は予熱前または予熱後に行われる。前記シーラント結合剤の塗布方法としては、スプレーを用いる方法又は筆を用いる方法など、いずれも可能である。
前記シーラント結合剤２０２は、既存のゴム系列の緩衝層のような物理的な接触でなく、有機物のエポキシと無機物のセラミックまたは金属間の化学的な結合を通じても接着する形態である。したがって、エポキシとセラミックまたは金属間の接着面の熱膨張係数の差により発生する収縮率の差は、このような化学的結合により相当に相殺できる。また、前記エポキシ樹脂絶縁層は寸法安定剤としてセラミック系列のシリカを含むことにより、セラミック絶縁ケースとの熱膨張係数の差により発生する問題点をさらに減少させうる。
また、前記シーラント結合剤を真空インタラプタのセラミック部分のみならず、上部および下部の導体部分２０４にも塗布することにより、導体部分の接着力も増大させうる。
図３は、本発明のシーラント結合剤を用いる真空インタラプタのセラミック絶縁ケース３０１（図２のセラミック絶縁ケース２０３に相当）とエポキシ樹脂絶縁層３０２（図２のエポキシ樹脂絶縁層２０１に相当）との間に処理されている釉薬層３０３を示す構造図である。本発明における真空インタラプタのセラミック絶縁ケース２０３は、セラミックの外部表面に釉薬処理されていることが好ましい。前記セラミック絶縁ケースの表面の釉薬層３０３は、セラミックの表面の湿気、ほこりなどの汚染を防止する役割と真空インタラプタの最も重要な機能中の一つである高真空を保持するシーリングの役割を果たす。このようなセラミックの表面３０１の釉薬処理は別に制限されないが、約１００μｍ程度の厚さで釉薬を塗布することが好ましい。釉薬の塗布されたセラミック絶縁容器は１３００〜１４００℃で焼いて前記釉薬がセラミック層にしみ込むようにする。これにより、前記釉薬が塗布されて形成された釉薬層３０３はセラミックの内部に含沈される層を有する。このようにセラミックの表面に塗布され含沈される釉薬層３０３により前記セラミック絶縁ケース３０１は高真空が維持できるようになる。前記セラミックケース３０１の外部に塗布される釉薬はセラミックのような珪素が主成分なので、シーラント結合剤の反応基とも容易に反応することができる。
すなわち、本発明の真空インタラプタは、真空インタラプタのセラミックの表面に処理された釉薬層３０３の上にシーラント結合剤２０２を塗布した後、エポキシ樹脂３０２を成形してなる。これにより、珪素系列の無機質と結合する反応基を有する前記シーラント結合剤２０２は、ガラス質のセラミックケース３０１の外部の釉薬層３０３とも容易に反応するようになる。
このように釉薬処理されているセラミックとエポキシ樹脂層との間のシーラント結合剤２０２は緩衝層適用時の物理的な接触方式を用いることとは異なり、シーラント結合剤の二重反応構造によりエポキシ樹脂とセラミック及びセラミックの表面の釉薬と化学的に反応して結合環を形成するので、二つの材料間の化学的な結合により二つの材料を接着させる。これは既存の緩衝層を適用した場合の単純な機械的な密着構造でなく化学的な結合構造であるため、接着部分の剥離による部分放電の発生や界面絶縁破壊のような電気的な問題を起こさないという効果がある。
前記シーラント結合剤は、下記の化学式１で表現される水素化系列の化合物が好ましい 。前記化学式１で表現されるシーラント結合剤は１分子中に有機物と反応できる有機作用基グループと無機物質と反応できる加水分解性(Hydrolyzable)アルコキシグループとを有している。
［化学式１］
Ｒ：有機反応基グループ，（ＣＨ２）ｎ：リンカー，Ｓｉ：珪素，
Ｘ３：加水分解性アルコキシ反応基グループ
シリコンシーラント結合剤は、前記化学式１からわかるように、１分子中に二つ以上の他の反応基を有しているため、同時に二つの反応をする。前記反応基中の一つは有機質材料(各種合成樹脂)と化学結合をする有機反応基グループ(ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、メルカプト基など)であり、もう一つは無機質材料(ガラス、金属、砂など)と化学結合をする加水分解性アルコキシ反応基グループ(メトキシ基、エトキシ基など)である。したがって、通常はごく連結しにくい有機質材料と無機質材料を連結する結合剤として使用が可能である。
［化学式１］
Ｒ：有機反応基グループ，（ＣＨ２）ｎ：リンカー，Ｓｉ：珪素，
Ｘ３：加水分解性アルコキシ反応基グループ
シリコンシーラント結合剤は、前記化学式１からわかるように、１分子中に二つ以上の他の反応基を有しているため、同時に二つの反応をする。前記反応基中の一つは有機質材料(各種合成樹脂)と化学結合をする有機反応基グループ(ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、メルカプト基など)であり、もう一つは無機質材料(ガラス、金属、砂など)と化学結合をする加水分解性アルコキシ反応基グループ(メトキシ基、エトキシ基など)である。したがって、通常はごく連結しにくい有機質材料と無機質材料を連結する結合剤として使用が可能である。
かかるシーラント結合剤をエポキシ樹脂成形真空インタラプタの製造に使用するとき、前処理法(無機充填材を優先して処理する)または integral blend法(樹脂構成物に添加)などのいずれも適用できるが、本発明では前処理法として真空インタラプタの表面にシーラント結合剤を処理し、エポキシ樹脂を直接成形する方式を適用した。このような直接成形方式は、従来の緩衝層を形成しなくても真空インタラプタの表面とエポキシ樹脂の接着性を向上させて機械的強度及び部分放電などの電気的な特性をはるかに向上させうる。
図４は、本発明の他の実施形態である真空インタラプタのセラミック絶縁ケース３０１とエポキシ樹脂絶縁層３０２との間に形成されている突起層４００を示した詳細構造図である。前記突起層４００はシーラント結合剤を用いるエポキシ成形真空インタラプタで前記シーラント結合剤の接着力をより向上させるためのものであって、表面に釉薬層３０３が形成されているセラミック絶縁ケース３０１の外部をサンドブラスター処理することにより、セラミック絶縁ケース３０１の表面に突起４００を形成させて前記シーラント結合剤２０２の反応面積を極大化した。
前記サンドブラスター処理は珪砂、セラミック、金属などの粒子をエアで発射して表面を加工する方法である。本発明のサンドブラスター処理では、３０〜６０メッシュの珪砂またはセラミック粒子を用いることが好ましい。また、使用粒子の大きさに応じて所要時間が変わるが、個当り３分程度の時間で処理することが好ましい。
前記サンドブラスター処理により、セラミック絶縁ケースの表面に形成される突起層４００は、二つの材料間の界面の構造が微細に多方向性を有するので、シーラント結合剤を用いるエポキシ成形真空インタラプタの接着力を大幅に向上させることができる。
Claims (5)
- 上部導体及び下部導体を具備したセラミック絶縁ケースと、
前記絶縁ケースの外部面に成形される釉薬層と、
前記釉薬層の外部面をサンドブラスターで処理して形成される突起層と、
前記突起層の外部面にシーラント結合剤を塗布して形成されるシーラント結合剤層と、
前記シーラント結合剤層の外部面に成形されるエポキシ樹脂絶縁層と、を含み、
前記シーラント結合剤層は前記釉薬層及び前記エポキシ樹脂絶縁層と化学的に結合することを特徴とする真空インタラプタ。 - 前記シーラント結合剤が前記セラミック絶縁ケースの前記上部導体及び下部導体の外部面に塗布されることを特徴とする請求項１に記載の真空インタラプタ。
- 前記シーラント結合剤は、下記の化学式１で表現される化合物であることを特徴とする請求項１に記載の真空インタラプタ。
［化学式１］
Ｒ：有機反応基グループ，（ＣＨ２）ｎ：リンカー，Ｓｉ：珪素，
Ｘ３：加水分解性アルコキシ反応基グループ
(前記化学式１において、Ｒは反応基の存在する炭素数１〜１５の脂肪族または芳香族炭化水素であり、ｎは１〜１０の整数であり、Ｘは炭素数１〜１５の脂肪族または芳香族アルコキシ基である。) - 前記エポキシ樹脂絶縁層は寸法安定剤としてシリカを含むことを特徴とする請求項１に記載の真空インタラプタ。
- 真空インタラプタの製造方法において、
セラミック絶縁ケースを準備するステップと、
前記セラミック絶縁ケースの外部面に釉薬処理して釉薬層を形成するステップと、
前記釉薬層の外部面をサンドブラスターで処理して突起層を形成するステップと、
前記突起層の外部面にシーラント結合剤を塗布してシーラント結合剤層を形成するステップと、
前記シーラント結合剤層の外部面にエポキシ樹脂絶縁層を成形するステップと、を含むことを特徴とする真空インタラプタの製造方法。
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