JP5986647B2 - 電気機器用絶縁材及びこれを用いた電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、変圧器、発電機、遮断機、変換器、回転機などの電気機器に用いる絶縁材に関する。

変圧器、発電機、遮断器、変換器などの高電圧製品に使われている絶縁材（絶縁材料）である樹脂に関しては、効率向上のため、機器の小型化が重要になりつつある。しかし、小型化による高電界化に伴い、電気的な絶縁破壊に加え、機械的な破壊が起きやすくなるため、機器の小型化が容易では無い状況である。このため、絶縁樹脂としては、絶縁破壊電界及び破壊靭性の向上が望まれている。

これを目的として、特許文献１には、１分子当たりに２以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物と、シリカ等よりなるマイクロ粒子と、層状シリケート化合物等よりなるナノ粒子と、エラストマー粒子と、を含む絶縁物用注型樹脂組成物が開示されている。特許文献１には、エラストマー粒子の一次粒径は、０．１〜１０μｍであることが好ましいことも記載されている。

特開２００８−０７５０６９号公報

特許文献１に記載されている粒径０．１μｍ以上のエラストマー粒子においては、特にナノゴムの添加の場合は、機械的な破壊靭性の大幅な向上が容易でない状況である。現状、電気的な絶縁破壊電界と機械的な破壊靭性との両方を向上させるナノ粒子は報告されていない。

本発明の目的は、電気機器用絶縁材の絶縁破壊電界及び破壊靭性をともに向上することにある。

本発明は、絶縁樹脂と、有機ナノエラストマー粒子と、無機ナノ粒子とを含み、有機ナノエラストマー粒子及び無機ナノ粒子は、絶縁樹脂の中に分散され、交互に配置された部分を含み、粒径が１ｎｍ以上１００ｎｍ未満であることを特徴とする。

本発明によれば、電気機器用絶縁材の絶縁破壊電界及び破壊靭性をともに向上することができる。

ナノゴムをエポキシ樹脂に添加した場合におけるナノゴムの粒径と破壊靭性との関係を示すグラフである。 実施例１の電気機器用絶縁材を示す斜視図である。 図２ＡのＡ−Ａ断面図である。 図２ＡのＢ−Ｂ断面図である。 実施例１の電気機器用絶縁材が絶縁破壊した場合においてナノＮＢＲの粒子が１個脱落した状態を示す模式図である。 モールド変圧器の樹脂構造体を示す斜視図である。 実施例３の電気機器用絶縁材を示す斜視図及び断面図である。

本明細書において電気機器とは、変圧器、発電機、遮断機、変換器、回転機、サーバ、パーソナルコンピュータ（パソコン）、パワー半導体、半導体等をいうが、これらの具体例に限定されるものではなく、高電界における絶縁、及び機械強度を要求される電気機器すべてを含むものとする。

本明細書においては、有機ナノエラストマー粒子とは、粘弾性を有する樹脂で形成されたナノ粒子をいう。また、無機ナノ粒子とは、無機物で形成されたナノ粒子をいう。

粒径０．１μｍ以上のエラストマー粒子（有機ナノエラストマー粒子）であるナノゴムを添加した場合、機械的な破壊靭性の大幅な向上が容易でない理由を図１により説明する。

図１は、ナノゴムをエポキシ樹脂に添加した場合におけるナノゴムの粒径と破壊靭性との関係を示したものである。

本図においては、実験値（■印）を示している。

ナノゴムの場合、粒径が１００ｎｍ以上では破壊靭性が小さく、粒径が１００ｎｍ未満では大きくなることがわかる。

以下、本発明の一実施形態に係る電気機器用絶縁材及び電気機器について説明する。

前記電気機器用絶縁材において、絶縁樹脂に対して、有機ナノエラストマー粒子は酸性であり、無機ナノ粒子はアルカリ性であることが望ましい。

前記電気機器用絶縁材において、有機ナノエラストマー粒子は、アクリロニトリルブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム及び天然ゴムからなる群から選択される少なくとも一種類を含むことが望ましい。

前記電気機器用絶縁材において、無機ナノ粒子は、シリカ、アルミナ、マイカ（雲母）又はボロンナイトライドを含むことが望ましい。

前記電気機器用絶縁材において、絶縁樹脂は、エポキシ樹脂であることが望ましい。

前記電気機器用絶縁材において、有機ナノエラストマー粒子及び無機ナノ粒子の含有量の合計は、１重量％以上、２０重量％以下であることが望ましい。

前記電気機器用絶縁材において、有機ナノエラストマー粒子及び無機ナノ粒子は、攪拌により絶縁樹脂に分散したものであることが望ましい。

前記電気機器用絶縁材は、有機ナノエラストマー粒子を含み無機ナノ粒子を含まない層と、無機ナノ粒子を含み有機ナノエラストマー粒子を含まない層と、を交互に形成したものであることが望ましい。

前記電気機器用絶縁材において、有機ナノエラストマー粒子は、アクリロニトリルブタジエンゴムであり、無機ナノ粒子は、シリカであり、絶縁樹脂は、エポキシ樹脂であることが望ましい。

前記電気機器は、前記電気機器用絶縁材を用いたものである。

本実施例は、図２Ａ〜４を用いて説明する。

図２Ａは、電気機器用絶縁材の試験片を示す斜視図である。

本図において、試験片１０の形状は、立方体である。

図２Ｂは、試験片の断面を拡大して模式的に示したものであり、図２ＡのＡ−Ａ断面図である。

図２Ｃは、図２ＡのＢ−Ｂ断面図であり、Ａ−Ａ断面に直交する断面を示したものである。

図２Ｂ及び２Ｃに示すように、試験片は、エポキシ樹脂７にナノＮＢＲ５及びナノシリカ６を分散した構成を有する。この場合に、ナノＮＢＲ５及びナノシリカ６は、水平方向のみならず、鉛直方向にも交互配置されている。

ここで、エポキシ樹脂７に対してアルカリ性のナノＮＢＲ５及び酸性のナノシリカ６は、高電圧を印加したエポキシ樹脂７内でそれぞれ、陽イオン（正電荷を帯びている。）、陰イオン（負電荷を帯びている。）となっている。このため、図に示すような交互構造がエネルギー的に最も安定である。したがって、長時間にわたって攪拌を実施し、ナノＮＢＲ５及びナノシリカ６をエポキシ樹脂７内に十分に分散すると、このような交互構造を有する電気機器用絶縁材を得ることができる。ここで、ナノＮＢＲ５、ナノシリカ６等のナノ粒子を分散した樹脂混合物は、「ナノコンポジット樹脂」ともいう。

高速攪拌装置によりナノＮＢＲ５（アクリロニトリルブタジエンゴム）及びナノシリカ６を添加し、分散したエポキシ樹脂７を作製し、絶縁破壊電界及び破壊靭性を評価するための試験片１０を成型する。

ナノコンポジット樹脂の高速撹拌機による撹拌及びその後の硬化（成型）は、以下の手順で行った。

（１）予備加熱した母材のエポキシ樹脂にナノ粒子を添加する。

（２）マントルヒータを用いて母材とナノ粒子との混合液を８０℃以上に加熱しながら、高速撹拌機を用いて５０００〜６０００回転／分にて２４時間攪拌する。

（３）混合液を脱泡した後、予備加熱しておいた金型に流し込み、恒温槽を用いて所定の硬化条件にて硬化する。

ナノ粒子を入れない場合は、ナノ粒子を入れた場合に比べ、撹拌時間を１／２としている。なお、ＳＥＭ測定などから、撹拌が十分でなく、ナノ粒子が目標とする安定構造でない場合、撹拌時間を２倍の４８時間とすることにより、安定な構造とすることができる。

つぎに、図２Ａの試験片１０に高電圧を印加し、ナノＮＢＲ５の一つが絶縁破壊した場合を検討する。

図３は、絶縁破壊によりナノＮＢＲの粒子が１個脱落した状態を示す模式図である。

本図に示すように、脱落したナノＮＢＲ５の周囲のナノシリカ６が絶縁破壊によるトリー進展を抑止する。

つぎに、樹脂を加熱又は冷却することにより応力が発生し、ナノシリカ６の近傍の樹脂にクラックが発生したケースを検討する。

この場合も、図３と同様にクラックが発生したナノシリカ６の周囲のナノＮＢＲ５が、クラック進展を抑止する。

表１は、ナノ粒子の配合が絶縁破壊電界及び破壊靭性に与える影響についてまとめて示したものである。

本表においては、ナノ粒子を添加しない場合（試料１）、ナノＮＢＲの含有量を５重量％とした場合（試料２）及びナノシリカの含有量を５重量％とした場合（試料３）、並びにナノＮＢＲの含有量を３重量％としナノシリカの含有量を３重量％とした場合において交互配置とした場合（試料４）及び非交互配置とした場合（試料５）を示している。

試料４（交互配置）は、試料５（非交互配置）に比べ、破壊靭性及び絶縁破壊電界が大きく、単独添加に近い値である。これは、交互配置の全エネルギーが最も小さく、安定であること、並びに周囲のナノ粒子が機械的破壊及び絶縁破壊の両方の進展を抑止していることが理由である。これにより、絶縁材を小型化することが可能となる。

図４は、モールド変圧器の樹脂構造体を示したものである。

本図において、樹脂構造体１５は、円筒形状であり、中空部１７を有している。中空部１７は、略四角柱状であり、角部１６が曲率を有している。

角部１６には、冷却プロセスで発生する残留応力が高くなる傾向がある。このため、角部１６の樹脂にナノＮＢＲ及びナノシリカを混合することは、強度の面から有効である。また、角部１６の樹脂にのみナノＮＢＲ及びナノシリカを混合することにより、ナノ材料の原料費及び製造費を低減することができる。

この方法は、モールド変圧器以外の発電機、遮断機及び変換機にも適用可能である。

本実施例のナノコンポジット樹脂は、エポキシ樹脂にナノＳＢＲ（スチレン・ブタジエンゴム）及びナノクレイを添加したものである。ここで、ナノクレイは、シリカ及びアルミナで形成されている粒子状の材料である。

アルカリ性のナノＳＢＲ及び酸性のナノクレイは、エポキシ樹脂内でそれぞれ、陽イオン、陰イオンとなっていること、並びにナノクレイが積層構造を有することから、２次元的な交互構造がエネルギー的に最も安定となる。

表２は、本実施例のナノ粒子の配合が絶縁破壊電界及び破壊靭性に与える影響についてまとめて示したものである。

本表においては、ナノ粒子を添加しない場合（試料１）、ナノＳＢＲの含有量を５重量％とした場合（試料６）及びナノシリカの含有量を５重量％とした場合（試料７）、並びにナノＳＢＲの含有量を３重量％としナノシリカの含有量を３重量％とした場合において交互配置とした場合（試料８）及び非交互配置とした場合（試料９）を示している。

試料８（交互配置）は、試料９（非交互配置）に比べ、破壊靭性及び絶縁破壊電界が大きく、単独添加に近い値である。これは、交互配置の全エネルギーが最も小さく、安定であること、並びに周囲のナノ粒子が機械的破壊及び絶縁破壊の両方の進展を抑止していることが理由である。これにより、絶縁材を小型化することが可能となる。

実施例１と同様に、モールド変圧器を構成する樹脂構造体の角部の樹脂にナノＳＢＲ及びナノクレイを混合することは、強度の面から有効である。また、角部の樹脂にのみナノＳＢＲ及びナノクレイを混合することにより、ナノ材料の原料費及び製造費を低減することができる。

本実施例のように平面的な交互構造は、薄膜や、界面、表面、マイカの絶縁破壊電界、破壊靭性を向上するのに有効である。

本実施例は、図５を用いて説明する。

図５は、電気機器用絶縁材の試験片を示す斜視図である。

本図において、試験片１００は、種類の異なるナノ粒子を含むナノコンポジット樹脂を２種類交互に、ナノ粒子に換算して１層分ずつ成型し、積層したものである。ここで、ナノ粒子は、ナノＢＲ２２（ブタジエンゴム）及びナノマイカ２３である。

まず、攪拌装置によりナノＢＲ２２のみを添加したエポキシ樹脂を作製し、ナノ粒子に換算して１層分を成型する。続いて、ナノマイカ２３のみを添加したエポキシ樹脂を作製し、ナノ粒子に換算して１層分を成型する。これを目標の高さになるまで繰り返す。ここで、１層分を成型する方法は、撹拌したナノコンポジット樹脂を塗布してもよいし、スパッタリング法を利用してもよい。

図中右側は、交互に積層された各層の断面（４層分）を示したものである。ナノＢＲ２２及びナノマイカ２３は、本図に示すように、水平方向のみならず、鉛直方向にも配置されている。ここで、樹脂に対してアルカリ性のナノＢＲ２２及び酸性のナノマイカ２３は、高電圧を加えた樹脂内でそれぞれ、陽イオン、陰イオンとなっている。このような交互構造がエネルギー的に最も安定である。したがって、攪拌を長期間にわたって実施し、ナノＢＲ２２及びナノマイカ２３をエポキシ樹脂内に、十分に分散させると、このような交互構造を得ることができる。

ここで、高電圧が加わり、ナノＢＲ２２の一つが絶縁破壊した場合を検討する。

この場合、絶縁破壊したナノＢＲ２２の周囲のナノマイカ２３が絶縁破壊によるトリー進展を抑止する。このため、ランダムに配置するより、絶縁破壊電界が大きい。

つぎに、樹脂の加熱や冷却により応力が発生し、ナノマイカ２３の一つにクラックが発生したケースを検討する。この場合、クラックが発生したナノマイカ２３の周囲のナノＢＲ２２が、クラック進展を抑止する。

本実施例のような繰り返し成型により、明確な交互構造を形成することができ、絶縁破壊電界及び破壊靭性を向上するのに有効である。

以下、本発明の効果について説明する。

本発明によれば、絶縁破壊と機械的な破壊進展との両者を同時に抑止でき、かつ、樹脂内で正電荷となるナノエラストマー粒子、負電荷となるナノシリカ粒子を隣り合って配置させることにより、系の全エネルギーが小さくなり、絶縁破壊電界及び破壊靭性をともに向上することが可能となる。

また、有機ナノエラストマー粒子をＮＢＲ、ＳＢＲ、ＢＲ又はＮＲとすることにより、破壊靭性の向上が可能となる。

さらに、無機ナノ粒子としてナノシリカ又はナノアルミナを用いることにより、絶縁破壊電界の向上が可能となる。

さらにまた、絶縁材としてエポキシ樹脂又はマイカを用いることにより、高電圧環境での適用が可能となる。

さらに、有機ナノエラストマー粒子及び無機ナノ粒子の含有量の合計を、１重量％以上、２０重量％以下とすることにより、機能維持と粘度増加抑止との両立が可能となる。

また、攪拌装置により分散させることにより、最も安定の交互構造を生成できる。

本発明によれば、発電機、モールド変圧器及び遮断機の高電圧化に伴う絶縁破壊、並びに回転、熱収縮又は遮断に起因する応力に耐える電気機器用絶縁材を提供することができる。

５：ナノＮＢＲ、６：ナノシリカ、７：エポキシ樹脂、１０：試験片、１１：断面ＳＥＭ像、１５：樹脂構造体、１６：角部、１７：中空部、２２：ナノＢＲ、２３：ナノマイカ。

Claims (4)

1. 絶縁樹脂と、有機ナノエラストマー粒子と、無機ナノ粒子とを含み、前記有機ナノエラストマー粒子及び前記無機ナノ粒子は、前記絶縁樹脂の中に分散され、交互に配置された部分を含み、粒径が１ｎｍ以上１００ｎｍ未満であり、
   前記有機ナノエラストマー粒子は、アクリロニトリルブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム及び天然ゴムからなる群から選択される少なくとも一種類を含み、
   前記無機ナノ粒子は、シリカ、アルミナ、マイカ又はボロンナイトライドを含み、
   前記有機ナノエラストマー粒子及び前記無機ナノ粒子の含有量の合計は、１重量％以上２０重量％以下であり、
   前記有機ナノエラストマー粒子を含み前記無機ナノ粒子を含まない層と、前記無機ナノ粒子を含み前記有機ナノエラストマー粒子を含まない層と、を交互に形成したものであることを特徴とする電気機器用絶縁材。
2. 前記絶縁樹脂は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１記載の電気機器用絶縁材。
3. 前記有機ナノエラストマー粒子は、アクリロニトリルブタジエンゴムであり、前記無機ナノ粒子は、シリカであり、前記絶縁樹脂は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１記載の電気機器用絶縁材。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機器用絶縁材を用いたことを特徴とする電気機器。

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