JP6975098B2 - 固体絶縁開閉器および鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、固体絶縁開閉器および鉄道車両に関する。

鉄道車両には、負荷電流や事故電流から機器を保護するための開閉器が設置されている。開閉器は、負荷電流や事故電流を感知すると、操作機構によって電極が開き、電流が遮断される。屋外で使用する開閉器は、機器箱に真空バルブ等の遮断容器と、電極を開閉するための操作機構を、空間絶縁を介して収納するタイプがある。この開閉器は、機器箱によって内部部品が保護されているため、高い信頼性を有すものの、開閉器が大型化するという課題を有していた。

一方、開閉器には、小型、軽量化の要求に応えるため、例えば、特許文献１に記載のようにエポキシ樹脂等の硬化物で形成されるモールド絶縁体１７を設けて絶縁性を向上すると共に、モールド絶縁体１７の表面に導電材料で形成される導電部材１８を設けて空間絶縁を廃したスイッチギヤが提案されている。

特開２００５−１９７１２８号公報

しかしながら、アルミニウムや亜鉛等の金属溶射または導電性塗料で形成される導電部材１８を有する特許文献１の開閉器を屋外で使用した場合、水分や塵埃等が付着して導電部材が腐食してしまうという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、屋外での使用に耐える固体絶縁開閉器およびそれを備えた鉄道車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の固体絶縁開閉器の態様は、固定電極および固定電極に対向して配置された可動電極を有する真空バルブと、可動電極に接続され、可動電極を操作する操作ロッドと、操作ロッドに接続され、操作ロッドの動作を制御する操作機構と、真空バルブ、操作ロッドおよび操作機構を覆う筐体とを備える。筐体は、固体絶縁層と、金属性の操作機器箱とを有し、固体絶縁層は、固体絶縁層の表面に設けられ、金属性の操作機器箱に電気的に接続された接地層と、接地層の表面に設けられた塗料層とを有する。

また、本発明の鉄道車両は、車体と、車体に設けられた上記本発明の固体絶縁開閉器とを備える。

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

本発明によれば、屋外での使用に耐える固体絶縁開閉器およびそれを備えた鉄道車両を提供することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の固体絶縁開閉器の平面模式図 表面接地層と固体絶縁層との接着力を評価する２つの試験片の写真 図２Ａの２つの試験片を重ねて接着した写真 図２Ｂの２つの試験片を引張試験機に固定した写真 図２Ｃの２つの試験片の引張り試験後の写真 本発明の鉄道車両の一例を示す模式図

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。ただし、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

［固体絶縁開閉器］
図１は本発明の固体絶縁開閉器の平面模式図である。図１に示すように、本発明の固体絶縁開閉器１は、固定電極９および固定電極９に対向して配置された可動電極１０を有する真空バルブ４と、可動電極１０に接続され、可動電極１０を操作する操作ロッド１３と、操作ロッド１３に接続され、操作ロッド１３の動作を制御する操作機構１５を備える。そして、真空バルブ４、操作ロッド１３および操作機構１５を覆う筐体４０を備えている。

筐体４０は、固体絶縁層２と、金属製の容器（操作機器箱）１４とを有しており、両者は金属製のフランジ１６によって接続されている。この筐体４０によって、真空バルブ４、操作ロッド１３および操作機構１５が外気と遮断される。すなわち、固体絶縁層２の開口部と、操作機器箱１４で形成される内部の空間が密閉される。

固体絶縁層２の表面は、固体絶縁層２の表面に設けられ、操作機器箱１４に電気的に接続された接地層（表面接地層）７と、表面接地層７の表面に設けられた塗料層８とを有する。表面接地層７および塗料層８は、固体絶縁層２の表面の、ケーブルヘッドにより被覆されるブッシング６の部分を除く、外気に直接触れる部分に設けられている。

固体絶縁開閉器１を屋外で使用するためには、光や酸、アルカリ成分を含む雨滴、湿気、塵埃等から固体絶縁層２を保護する必要がある。本発明では、固体絶縁層２の表面に、遮光効果が高い金属層を表面接地層７として設け、さらに表面接地層７の表面に、防食を目的とする塗料層８を設けて多層化して固体絶縁層２の保護層を形成している。表面接地層７と塗料層８で固体絶縁層２を保護することで、屋外での固体絶縁層２の劣化を効果的に抑制することが出来る。

表面接地層７の材料には、亜鉛やアルミニウム等の卑金属を用いることが好ましい。卑金属を表面接地層７に用いると、飛び石等で塗料層８に傷が付いた場合に、損傷部直下の表面接地層７が腐食され白錆が発生する。この白錆を目視点検することで損傷部を早期発見でき、塗料の上塗り等で補修することにより、屋外での製品寿命を更に延ばすことが出来る。

固体絶縁層２と表面接地層７との密着性を高めるために、固体絶縁層２の表面をブラスト処理等で粗化することが好ましい。固体絶縁層２の表面を粗化することで、アンカー効果によって固体絶縁層２と接地層７との密着性を高めることができる。表面粗化された固体絶縁層２の表面粗さＲａは、１．５μｍ以上４．０μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが１．５μｍ未満となると、密着力向上の効果を十分に得ることができない。また、表面粗さＲａが４．０μｍ以上の範囲で表面接地層７と固体絶縁層２との接着力は同等となることから、Ｒａ＝４．０μｍより大きくしようとすると、必要以上に粗化処理時間を多くかけることになり、生産性の観点で好ましくないためである。

表面粗化により固体絶縁層２に発生するマイクロクラックの進展によるクラックを防止するために、固体絶縁層２には、破壊じん性値が３．０ＭＰａ・ｍ^０．５以上５．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下のエポキシ系モールド材を用いることが好ましい。

また、表面接地層７との熱膨張差を小さくするためと、放熱性を増すために、固体絶縁層２には溶融シリカおよび結晶質シリカ等の無機粒子が高充填されていることが好ましい。特に表面接地層７に好ましく用いるアルミニウム（２３ｐｐｍ／℃）や亜鉛（３０．２ｐｐｍ／℃）の熱膨張係数に合わせて、固体絶縁層２の熱膨張係数は、２３ｐｐｍ／℃以上３０ｐｐｍ／℃以下とすることが好ましい。そのようなモールド材料の例は、特開２０１７−１１０１３５等に開示されている。

表面接地層７を構成する材料は、上述したようにアルミニウムまたは亜鉛が好ましい。さらに、表面接地層７には貫通気孔が設けられていることが好ましい。貫通気孔を有する表面接地層は、織布や不織布を巻き回しても形成できるが、溶射法で形成することが生産性の観点から好ましい。表面接地層７が貫通気孔を有することで、表面接地層７に塗料層８の原料となる塗料が浸み込み、固体絶縁層２と塗料層８が直接接合する効果と、脆い溶射膜である表面接地層７を塗料が固着し、膜強度を向上することができる。さらに、貫通気孔は表面接地層７と塗料層８との接着力を向上する効果を発揮する。

貫通気孔を有する表面接地層７と固体絶縁層２との密着性を効果的に向上するためには、表面接地層７が有する貫通気孔に塗料層８の原料となる塗料が浸み込む必要がある。溶射法で形成した表面接地層７の場合、表面接地層７の膜厚を３０μｍ以上１００μｍ以下の範囲にすることで接着改善効果が増す。表面接地層７が１００μｍよりも厚い場合は、貫通気孔への塗料の浸透が不十分となり、密着性の改善効果が不十分となる。また、表面接地層７が３０μｍよりも薄い場合には、固体絶縁層２の被覆、即ち、固体絶縁層２の遮光効果が不十分となる場合がある。

前述のように固体絶縁層２、表面接地層７および塗料層８を構成することで、固体絶縁層２と表面接地層７との界面を外部環境から保護することができるとともに、冷熱サイクル時の表面接地層７の剥離を防止することが出来る。

一方、固体絶縁層２の熱膨張係数を２３ｐｐｍ／℃以上３０ｐｐｍ／℃以下に調整すると、固体絶縁層２の内部部品、特にセラミックス製の真空バルブ４と固体絶縁層２との熱膨張差が大きくなって界面剥離を生じる場合がある。剥離は部分放電の原因となることからこれを抑制する必要がある。

そこで、内部部品と固体絶縁層２との剥離防止のために、内部部品と固体絶縁層２との間に接着層５を設置することが好ましい。特に、エポキシ樹脂と、ゴム粒子（平均粒径が０．１μｍ以上１μｍ以下）を５質量％以上４０質量％以下含有する接着層５を設けることが有効である。接着層５は、上記エポキシ樹脂とゴム粒子を有機溶媒に溶解および分散して、接着層を設けたい部品の表面に塗布し、乾燥して形成することができる。乾燥後の接着層５の平均厚さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。これは、膜厚が０．５μｍよりも薄いと接着力が低下し、２０μｍよりも厚いと乾燥時間が長くなるとともに、乾燥時にボイドが発生しやすくなるためである。接着層５は、内部部品と固体絶縁層２との接着力を増すと共に、応力緩和層として機能し、両者の剥離を防止することができる。なお、本明細書において「平均厚さ」とは、顕微鏡観察等によって数か所の厚さを測長し、平均した値を意味する。

塗料層８は、下塗り塗料層と、上塗り塗料層の２層構造としてもよい。下塗り塗料層の原料となる塗料としては、固体絶縁層２や金属である表面接地層７との接着性に優れるエポキシ樹脂系塗料、例えば、神東塗料株式会社製「さびコート」、「スーパーさびコートＩＩ」および「ガルバロック＃３００システム」（「ガルバロック」は神東塗料株式会社の登録商標）、日本ペイント株式会社製「ニッペジンキー８０００シリーズ」および「ユニエポックシリーズ」（「ニッペジンキー」および「ユニエポック」は日本ペイント株式会社の登録商標）、関西ペイント株式会社製「エポマリンＧＸ」（「エポマリン」は関西ペイント株式会社の登録商標）等を用いることが好ましい。

また、上塗り塗料層の原料となる塗料としては、優れた耐候性を示すウレタン系塗料、例えば神東塗料株式会社製「ＮＹポリンＫ」、日本ペイント株式会社製「ハイポン５０上塗りシリーズ」、「ニッペウレトップエコシリーズ」および「ニッペマイティラックシリーズ」（「ニッペ」は日本ペイント株式会社の登録商標）、関西ペイント株式会社製「スパーウレタンルーフペイント」等を用いることができる。

塗料層８の平均厚さは、５０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。表面接地層７を溶射法で形成した場合、その表面粗さはＲａで概ね１５μｍから４０μｍとなるため、塗料層８の厚さが５０μｍ未満の場合、表面接地層７を完全に被覆することでができずに、表面接地層７の表面に部分的な腐食が生じる場合がある。また、塗料層８が１００μｍを超えると吸湿や加熱により、塗料層８が膨張した際の応力が大きくなり、塗料層８に膨れが生じやすくなる。さらに、塗料層８が厚い場合には、乾燥が不十分になり易く、乾燥に時間がかかるという問題も有する。塗料層８を下塗り塗料層と上塗り塗料層の２層で構成する場合、２層の合計膜厚が５０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。

本発明の固体絶縁開閉器１は、フランジ１６を介して操作機器箱１４に電気的に接続され、固体絶縁層２の開口部１２を密閉する構造を有する。開口部１２および操作機器箱１４の内部には、可動電極１０の端部と電磁操作機構１５が収容されており、可動電極１０と電磁操作機構１５は、操作ロッド（気中絶縁ロッド）１３によって接続されている。固体絶縁層２の開口部１２と操作機器箱１４で形成された絶縁空間は、外部の湿度変化や汚損から保護されており、安定した気中絶縁を実現することができる。

フランジ１６および操作機器箱１４とは表面接地層７と電気的に接続されており、フランジ１６または操作機器箱１４を通して固体絶縁開閉器１の外表面全体を接地する構造を有する。すなわち、固体絶縁開閉器１を接地する配線が、フランジ１６または操作機器箱１４に設けられている。なお、ブッシング６の表面は、ケーブルヘッド内に配された接地層（図示せず）により、ケーブル表面とともに接地されている。本発明の固体絶縁開閉器１は、ケーブル接続後には、その表面が全て接地されるため、帯電による高電圧部分の露出が無くなり、安全性が増すほか、固体絶縁開閉器１を複数搭載する場合にも、空間絶縁をとる必要がなくなることから、機器全体を小型化することができる。

フランジ１６および操作機器箱１４の材料には、表面接地層７の海水中腐食電位以下の海水中腐食電位を有する卑金属を用いることが好ましい。例えば、表面接地層７が亜鉛である場合には、フランジ１６および操作機器箱１４は、亜鉛めっき鋼板や、亜鉛を含むめっき層を有するガルバニウム鋼板、アルミニウム−亜鉛−マグネシウム鋼板を用いることが好ましい。表面接地層７がアルミニウムである場合には、アルミニウムを用いても良い。このような構成では、外部との接触面積が大きいフランジ１６と操作機器箱１４とが犠牲アノードとして機能するため、塗料層８に欠陥が生じた場合においても表面接地層７の極端な腐食を防止することが出来る。

また、表面接地層７が亜鉛であって、フランジ１６および操作機器箱１４を亜鉛よりも電位が貴な金属、例えばアルミニウムで作製する場合には、フランジ１６の表面に、表面接地層７よりも海水中腐食電位が同等以下の金属（例えば、亜鉛またはマグネシウム合金）からなる犠牲アノード部材１７を設置することによって、塗料層８が損傷した場合であっても、その直下の表面接地層７の極端な腐食を防止することが出来る。

塗料層８は、少なくとも固体絶縁層２のブッシング６を除いた表面に設けられていればよい。さらに、フランジ１６および操作機器箱１４の表面にも塗料層８を形成することによって、固体絶縁開閉器１全体の防食性を増すことができる。雨滴の付着による表面接地層７や操作機器箱１４、フランジ１６の腐食防止や、砂塵や飛び石による表面接地層７や塗料層８の破損を防止するために、固体絶縁開閉器１全体を外装ケースに収納することが望ましい。これにより本発明の固体絶縁開閉器１の信頼性をいっそう増すことが出来る。

以上の構成を有する本発明の固体絶縁開閉器は、固体絶縁層を表面接地層と塗料層で被覆することにより、固体絶縁層の劣化を防止することができる。また、塗料層の欠陥を表面接地層の腐食による変色で早期に発見でき、適切な補修を実施することができる。適切な補修により表面接地層と塗料層の健全性を維持できる本発明の開閉器は、屋外で長期間使用できるようになる。

［鉄道車両］
図３は本発明の鉄道車両の一例を示す模式図である。図３に示すように、本発明の鉄道車両３０は、複数の車体３１が連結されて構成されている。車体３１の上部には、本発明の固体絶縁開閉器１およびパンタグラフ３２が搭載されている。固体絶縁開閉器１およびパンタグラフ３２は、高圧引き通しケーブル３３によって接続されている。

本発明の固体絶縁開閉器１は、上述した通り、十分な耐久性および耐候性を有するものであるから、屋外を走行する鉄道車両３０に好適である。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。

［表面粗さＲａとせん断接着力の関係］
まず始めに、表面粗さの異なる樹脂板（固体絶縁層２に相当する材料）を３種類用意し、その表面に亜鉛層（表面接地層７に相当する層）を設けた試験片を用意し（実験例１、実験例２および実験例３）、この試験片のせん断接着力を評価した。試験片の作製に用いた供試材は、以下の通りである。

＜供試試料＞
（１）ｊＥＲ−８２８：三菱化学株式会社製 ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（２５℃で液状、エポキシ当量１９０ｇ／ｅｑ）
（２）ｊＥＲ−８０７：三菱化学株式会社製 ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（２５℃で液状、エポキシ当量１７０ｇ／ｅｑ）
（３）ＮＨ−５５００：日立化成株式会社製 ３−または４−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸（２５℃で液状、酸無水物当量１６８ｇ／ｅｑ）
（４）２Ｅ４ＭＺ−ＣＮ：四国化成工業株式会社製 １−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾール、エポキシ硬化触媒
（５）パーヘキシン２５Ｂ：日油株式会社製 １，２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキシン、ラジカル重合開始剤、１０時間半減期温度１２８．４℃
（６）ＸＪ−７：株式会社龍森製 結晶性破砕状シリカ、粒径約６．３μｍ
（７）ＦＢ−２０Ｄ：電気化学工業株式会社製 溶融シリカ、粒径約２２μｍ
（８）コアシェルゴム粒子：ダウケミカル日本株式会社 パラロイドＢＴＡ−７３１、一次粒径約０．６μｍ
（９）スチレン：東京化成工業株式会社製 スチレン、ラジカル重合禁止剤として３０ｐｐｍの４−ｔｅｒｔ−ブチルカテコールを含有
（１０）Ｎ−フェニルマレイミド：東京化成株式会社製 Ｎ−フェニルマレイミド
（１１）ＫＢＭ−５０３：信越化学工業株式会社製 ３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、シラン系カップリング剤
（１２）ＫＢＭ−４０３：信越化学工業株式会社製 ３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、シラン系カップリング剤
（１３）分散剤：ビッグケミージャパン株式会社製 ＢＹＫ−Ｗ−９０１０
（１４）消泡剤：信越化学工業株式会社製 ＫＳ６０３
固体絶縁層２に相当する樹脂板の原料となるモールドワニスを以下のように作製した。

＜モールドワニスの調整＞
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂ｊＥＲ−８２８を１０５質量部、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂ｊＥＲ−８０７を１０質量部、シランカップリング剤ＫＢＭ−４０３を２．７質量部、消泡剤ＫＳ６０３を０．０４質量部、ラジカル重合開始剤パーヘキシン２５Ｂを０．１質量部、分散剤ＢＹＫ−Ｗ−９０１０を２．９質量部、コアシェルゴム粒子ＢＴＡ−７３１を１１質量部、破砕状結晶質シリカＸＪ−７を３１９質量部、溶融シリカＢＦ−２０Ｄを８８質量部の比率で採取し、脱泡攪拌装置（倉敷紡績株式会社製 型式：ＫＫ−５０００）を用いて混練して主剤Ａを作製した。主剤Ａの総作製量は２５ｋｇとした。

酸無水物ＨＮ質量重量部、エポキシ硬化触媒２Ｅ４ＭＺ−ＣＮを１質量部、分散剤ＢＹＫ−Ｗ−９０１０を２．５質量部、コアシェルゴム粒子ＢＴＡ−７３１を１２質量部、破砕状結晶質シリカＸＪ−７を１８５室郎部、溶融シリカＢＦ−２０Ｄを２６６質量部の比率で採取し、主剤Ａと同様に脱泡攪拌装置を用いて混練して硬化剤Ｂを作製した。硬化剤Ｂの総作製量も２５ｋｇとした。
酸無水物ＨＮ−５５００を３０質量部、スチレンを９質量部、Ｎ−フェニルマレイミドを１５質量部の比率で５Ｌのポリ容器に採取し、５０℃の恒温水槽中で１時間攪拌して各成分を溶解して反応誘起剤Ｃを作製した。反応誘起剤Ｃの総作製量は、２．５ｋｇとした。

＜評価用サンプルの作製＞
上述したモールドワニスの硬化物の物性を確認するため、以下のように評価用サンプルを作製した。

約６０℃に加熱した主剤Ａを１０質量部、硬化剤Ｂを１０質量部、反応誘起剤Ｃを１質量部の比率でポリ容器にモールドワニスを採取し、均一に混合した。混合したモールドワニスを真空脱泡した後、８０℃に余熱した破壊じん性評価用の金型および樹脂板作成用金型にモールドワニスを注型した。その後、８０℃で２０時間、１４０℃で１０時間加熱してモールドワニスを硬化した。金型から硬化物を取り出し、長さ１００ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ６ｍｍの破壊じん性評価用サンプルと、長さ１２０ｍｍ、幅１４０ｍｍ、厚さ５ｍｍの樹脂板サンプルを作製した。

＜破壊じん性値の確認＞
破壊じん性評価用サンプルを用いて、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ） Ｅ３９９に準拠して、引張試験によりサンプルが破壊されるまで加重をかけることによって、破壊じん値（ＫＩＣ）を求めた。本モールドワニスの硬化物の破壊じん性値は、４．５ＭＰａ・ｍ０．５であった。

＜熱膨張係数の確認＞
樹脂板サンプルから長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ５ｍｍの熱膨張率評価用サンプルを切り出した。真空理工株式会社製熱機械試験機（型式：ＴＭ−９３００）を用いて、熱膨張率評価用サンプルの長尺方向の熱膨張係数およびガラス転移温度を観測した。観測条件は、大気下、昇温速度２℃／分、観測範囲は３０℃から１８０℃とした。温度と熱膨張による変位量の関係曲線の屈曲点をガラス転移温度として求めた値は、１２４℃であった。また、３０℃から１００℃における熱膨張係数は、２４ｐｐｍ／℃であった。

＜接着力の確認１＞
樹脂板と樹脂板の表面荒さ（Ｒａ）と亜鉛層との接着力の関係を以下のようにして確認した。

樹脂板サンプルの表面にブラスト処理を施し、表面粗さ（Ｒａ）が１．３μｍ樹脂板を作製した。各樹脂板に、溶射によって厚さ６０μｍの亜鉛層を形成した。その後、新素材切断機（株式会社リョーワ製 型式：ＤＣＲ−２４０）を用いて各樹脂板から幅１０ｍｍ、長さ５ｃｍの短冊状サンプルを各々１０本ずつ切り出して作製した。亜鉛層上に付着した切り屑をエアブローで除去し、表面処理装置（セン特殊光源社製 型式：ＰＬ２１−２００）を用いて亜鉛層表面を１０分間ＵＶ洗浄した。

図２Ａは表面接地層と固体絶縁層との接着力を評価する２つの試験片の写真である。上述した短冊状サンプルの一端に、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍのサイズで接着剤（株式会社隆成コミュニティ製 製品名：オートウェルド）約０．０５ｇを図２Ａに示すように塗布した。図２Ａにおいて、試験片２０の亜鉛層１８の表面に接着剤１９が塗布されている。図２Ｂは図２Ａの２つの試験片を重ねて接着した写真である。図２Ｂに示すように、接着剤を塗布した２本の短冊状サンプルの接着剤塗布面を重ね、クリップで固定した。接着面からにじみ出した余分な接着剤は、へらを用いて除去し、室温で２４時間静置して接着剤を硬化した。

図２Ｃは図２Ｂの２つの試験片を引張試験機に固定した写真である。図２Ｃに示すように、図２Ｂの試験片をオートグラフ（株式会社島津製作所製 型式：ＡＧ−Ｘ）に配置し、室温での接着面のせん断破壊力（Ｎ）を測定した。

図２Ｄは図２Ｃの２つの試験片の引張り試験後の写真である。図２Ｄの丸で囲んだ亜鉛層の剥離面積（ｍｍ^２）を計測し、オートグラフで測定したせん断破力を剥離面積で除してせん断接着力（ＭＰａ）を求めた。

実験例１から３の樹脂板の表面粗さとせん断接着力を表１に示す。なお、せん断接着力は、５サンプルのせん断接着力を観測し、中央値３点の平均値を求めた結果である。破壊モードは、いずれの場合も樹脂板と亜鉛層の界面剥離であった。

表１に示すように、表面粗さＲａが１．５μｍ以上において樹脂板と亜鉛層との接着力が向上することを確認した。以降の検討では、表面粗さＲａを４．０μｍに固定して行った。

［塗料層の効果の確認］
亜鉛層の表面への塗料層の設置効果を以下のように確認した。

（イ）耐候性の評価
表面粗さＲａが４．０μｍの樹脂板の表面に、平均厚さ６０μｍの亜鉛層を溶射によって設けた。次に、エポキシ系塗料（日本ペイント・インダストリアルコーティングス株式会社製 商品名：ユニエポック３０プライマーＮＣ）をスプレーで塗布し、６０℃で３０分間乾燥した。乾燥膜厚は平均で３０μｍとした。次いで、ウレタン塗料（日本ペイント・インダストリアルコーティングス株式会社製 商品名：ｎａｘマイティーラックＧ２ ＫＢ型）をスプレーで塗布し、８０℃で２時間乾燥し、実施例１のサンプルを得た。乾燥膜厚は平均で３０μｍとした。

実施例１のサンプルに、３００ｎｍから４００ｎｍのキセノンアークを、照射強度：１８０Ｗ／ｍ^２、照射時間：２５０時間、５００時間、７５０時間、１０００時間、ブラックパネル温度：６３℃、照射１２０分中１８分間純水噴霧の条件で照射した。試験後の実施例１のサンプルから幅１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの曲試験サンプルを５本切り出し、オートグラフ（株式会社島津製作所製 型式：ＡＧ−Ｘ）を用いて曲げ試験を実施した。試験条件は、２３℃、曲げ速度２ｍｍ／分、支点間距離８０ｍｍとした。

耐候性は、曲げ試験前後の強度（強度保持率（％）（＝所定の暴露時間後の強度／０ｈの強度×１００））によって評価した。結果を後述する表２に示す。

また、亜鉛層および塗料層を設置していない樹脂板サンプルである比較例１のサンプルを作製し、実施例１と同様にして強度保持率（％）を算出した。結果を後述する表２に併記する。

表２に示すように、本発明の構成を有する実施例１のサンプルは、光の照射および純水噴霧による強度低下は全く観察されず、国内における屋外暴露時間２年相当の光照射時間である１０００ｈ後にも強度低下はなかった。このことから、屋外で使用する固体絶縁開閉器の固体絶縁層の耐環境性の向上には、少なくとも固体絶縁層表面に表面接地層７と塗料層８を設置することが有効であることが確認された。なお、表２中の実施例１の強度保持率（％）は誤差を含み１００から１０６％となっているが、全て１００％に相当する。

一方、亜鉛層および塗料層を設けていない比較例１のサンプルは、光の照射時間が増すと共に強度低下が進行し、屋外での継続的な使用に問題を有することが確認された。

（ロ）接着力の評価
表面粗さＲａが４．０μｍの樹脂板の表面に平均厚さ３０μｍ（実施例２）、６０μｍ（実施例３）、１００μｍ（実施例４）および１５０μｍ（実施例５）の亜鉛層を溶射によって形成した。各亜鉛層の表面に、エポキシ系塗料（日本ペイント・インダストリアルコーティングス株式会社製 商品名：ユニエポック３０プライマーＮＣ）をスプレーで塗布し、６０℃で３０分間乾燥した。乾燥膜厚は平均で３０μｍとした。次いで、ウレタン塗料（日本ペイント・インダストリアルコーティングス株式会社製 商品名：ｎａｘマイティーラックＧ２ ＫＢ型）をスプレーで塗布し、８０℃で２時間乾燥した。乾燥膜厚は平均で３０μｍとした。上述した＜接着力の確認１＞と同様にして塗料付きの樹脂板を切断して接着し、せん断接着力（ＭＰａ）を求めた。結果を後述する表３に記載する。

（ハ）高温高湿耐性の評価
上述した（イ）接着力の評価と同様に実施例２から５の塗料付き樹脂板を作製し、温度８５℃、湿度８５％の恒温恒湿層内に１０００ｈ保管して外観の異常の有無を観察した。外観に異常がない樹脂板については、上述した＜接着力の確認１＞と同様にして塗料付樹脂板に切断、接着加工を施し、せん断接着力（ＭＰａ）を求めた。結果を後述する表３に併記する。破壊モードは、何れも樹脂板と亜鉛層の界面であった。

表３に示すように、実施例２〜５のいずれのサンプルもせん断接着力は十分高く（４．４ＭＰａ以上）、高温高湿処理１０００時間後における溶射亜鉛層の腐食および溶射亜鉛層と塗料層との剥離もなく、安定した構成であることが確認された。実施例２から実施例５の構成は、接着性および耐湿性に優れることから、屋外で使用する固体絶縁開閉器の保護層として有効である。

比較例２は、表面粗さが４．０μｍである樹脂板サンプルの表面に平均厚さが６０μｍである溶射亜鉛層を有する樹脂板サンプルの評価例である。せん断接着力は４．０ＭＰａとやや低く、高温高湿処理１０００時間後における溶射亜鉛層には腐食による白錆が発生した。溶射亜鉛の表面に塗料層を有していない比較例２のサンプルは、耐湿性が十分ではないことが分かった。

次に、樹脂板の表面粗さＲａを４．０μｍ、亜鉛層の平均厚さを６０μｍとし、下塗り塗料層と上塗り塗料層の平均厚さ変えて実施例６から実施例９および参考例１から参考例２のサンプルを作製し、せん断接着力および高温高湿処理後の欠陥の有無を評価した。下塗り塗料層と上塗り塗料層の平均厚さ変えたこと以外は、作製方法および評価方法は実施例１〜５と同様である。

なお、本明細書において「参考例」とは、本発明の構成（樹脂板、亜鉛層および塗料層）を備えているが、塗料層の膜厚が本発明の好ましい範囲を超えたサンプルである。結果を後述する表４に記載する。

表４に示すように、実施例６および実施例７のいずれのサンプルにおいても高いせん断接着力を得た（５．５ＭＰａ）。高温高湿処理１０００時間後における溶射亜鉛層の腐食および溶射亜鉛層と塗料層との剥離もなく、安定した構成であることが確認された。実施例６および実施例７の構成は、接着性および耐湿性に優れることから、屋外で使用する固体絶縁開閉器の保護層として有効である。

下塗り塗料層の平均膜厚が９０μｍ、上塗り塗料層の平均膜厚が９０μｍ（塗料層の平均厚さ：１８０μｍ）の参考例１は、せん断接着力は実施例６および７と同じ値を有していたが、高温高湿処理１０００時間後における溶射亜鉛層において、腐食はないものの、塗料層自体に膨れが発生した。これは、塗料層が厚いため、乾燥不足になったものと思われる。実施例７および参考例１の結果を考慮すると、乾燥時間をより短くして生産性を向上する観点から、塗料層の平均膜厚は１００μｍ以下であることが好ましいと言える。

下塗り塗料層の平均膜厚が１５μｍ、上塗り塗料層の平均膜厚が１０μｍ（塗料層の平均厚さ：２５μｍ）の参考例２は、せん断接着力は実施例６および７と同じ値を有していたが、高温高湿処理１０００時間後における溶射亜鉛層において、腐食も膨れもないものの、塗料表面の一部に亜鉛の白錆と思われる白点が発生した。これは、塗料層が薄いため、溶射亜鉛層の凹凸のある表面を十分に被覆できず、露出した亜鉛層が錆びたものと思われる。実施例６の結果も考慮すると、防錆の観点から塗料層の平均膜厚は５０μｍ以上であることが好ましいと言える。また、参考例２の結果から、塗料層の欠陥部を、下地の溶射亜鉛層の腐食により検出できることを確認した。

［固体絶縁開閉器の作製と冷熱耐性評価］
図１に示す固体絶縁開閉器を作製し、冷熱耐性の評価を行った。日東シンコウ株式会社製のニットール６００（４０質量％溶液）５０ｇと、ゴム粒子を３０質量％含有する株式会社カネカ製ＫａｎｅＡｃｅＭＸ１５３（固形分濃度１００質量％）２５ｇと、シンナー１００ｇとを混合、攪拌して接着層用塗料を作製した。開閉器の内部部品を組み、その表面に接着層用塗料を約１０μｍの厚さに塗布し、１２０℃で１時間乾燥した。その後、内部部品を金型に組み込み、金型と共に真空注計装置内にて８０℃に予熱した。

上述した主剤Ａを２０ｋｇ、硬化剤Ｂを２０ｋｇ、反応誘起剤Ｃを２ｋｇ採取し、６０℃に予熱した。この３材料を混合攪拌して、攪拌しつつ５ｍｍＨｇにて１０分間脱泡し、モールドワニスとした。その後、真空注型装置にて５ｍｍＨｇの真空下で約４０ｋｇのモールドワニスを金型内に注型した。注型後の金型を硬化炉に移動し、８０℃で２０時間、１４０℃で１０時間加熱した。加熱後、炉内で４０℃まで自然冷却して金型を取り出し、金型を解体して図１に記載の固体絶縁層２の部分を作製した。

ブッシング部分及び開口部をマスキングした後、サンドブラスト処理にて固体絶縁層２表面を粗化した。表面粗さ（Ｒａ）は４．０μｍとした。アルミ製のフランジを固体絶縁層の開口部に組みつけた。その後、溶射によって亜鉛からなる表面接地層を固体絶縁層及びフランジ表面に形成した。表面接地層の厚さは６０μｍとした。

その後、表面接地層上に、下塗り塗料として日本ペイント・インダストリアルコーティングス（株）製ユニエポック３０プライマーＮＣをスプレーで塗布し、マスキングをはずして、６０℃で２時間乾燥した。下塗り塗料層の乾燥膜厚は３０μｍとした。次いでブッシング部及び開口部を再びマスキングして、上塗り塗料として日本ペイント・インダストリアルコーティングス（株）製ｎａｘマイティーラックＧ２ＫＢ型をスプレーで塗布し、８０℃で２時間乾燥した。上塗り塗料層の厚さは３０μｍとした。

マスキングをはずして、長さ約７０ｃｍ、直径約２５ｃｍの表面接地層および塗料付きの固体絶縁開閉器のモールド部品を得た。モールド部品を２３℃から１．４℃／分の速度でー４０℃まで冷却した後、１．４℃／分の速度で１１５℃に昇温し、１．４℃／分の速度で２３℃に冷却した。本サイクルを１０サイクル実施したが、固体絶縁層、表面接地層、塗料層へのクラックや剥離は発生せず、本構成のモールド部品を有する固体絶縁開閉器は、耐候性のみならず、冷熱耐性にも優れていると思われる結
以上、説明したように、本発明によれば、屋外での使用に耐える固体絶縁開閉器を提供することができることが実証された。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…固体絶縁開閉器、２…固体絶縁層、３…金属電極、４…真空バルブ、５…接着層、６…ブッシング、７…表面接地層、８…塗料層、９…固定電極、１０…可動電極、１１…ベローズ、１２…開口部、１３…操作ロッド、１４…操作機器箱、１５…電磁操作機構、１６…フランジ、１７…犠牲アノード部材、１８…試験片の表面接地層、１９…接着剤、２０…サンプル、２１…試験機、２２…、３０…鉄道車両、３１…車体、３２…パンタグラフ、３３…高圧引出しケーブル、４０…筐体。

Claims (14)

1. 固定電極および前記固定電極に対向して配置された可動電極を有する真空バルブと、
   前記可動電極に接続され、前記可動電極を操作する操作ロッドと、
   前記操作ロッドに接続され、前記操作ロッドの動作を制御する操作機構と、
   前記真空バルブ、前記操作ロッドおよび前記操作機構を覆う筐体とを備え、
   前記筐体は、固体絶縁層と、金属性の操作機器箱とを有し、
   前記固体絶縁層は、前記固体絶縁層の表面に設けられ、前記金属性の操作機器箱に電気的に接続された接地層と、前記接地層の表面に設けられた塗料層とを有することを特徴とする固体絶縁開閉器。
2. 前記筐体は、前記固体絶縁層と前記金属性の操作機器箱との間に設けられた金属製のフランジを更に有し、前記筐体の内部が密閉される構成を有し、
   前記接地層は、前記金属性のフランジおよび前記金属性の操作機器箱の表面の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体絶縁開閉器。
3. 前記固体絶縁開閉器を接地する配線が、前記金属性のフランジまたは前記金属製の操作機器箱に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の固体絶縁開閉器。
4. 前記金属性のフランジまたは前記金属性の操作機器箱の表面に、前記接地層の海水中腐食電位以下である海水中腐食電位を有する犠牲アノード部材が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の固体絶縁開閉器。
5. 前記固体絶縁層の表面粗さＲａが１．５μｍ以上４．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体絶縁開閉器。
6. 前記接地層は貫通気孔を有することを特徴とする請求項１に記載の固体絶縁開閉器。
7. 前記接地層の前記貫通気孔に前記塗料層が含まれていることを特徴とする請求項６に記載の固体絶縁開閉器。
8. 前記接地層の平均厚さが３０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体絶縁開閉器。
9. 前記塗料層の平均厚さが５０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体絶縁開閉器。
10. 前記固体絶縁層の熱膨張係数が２３ｐｐｍ／℃以上３０ｐｐｍ／℃であり、破壊じん性値が３．０ＭＰａ・ｍ^０．５以上５．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下であり、ガラス転移温度が１１５℃以上であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の固体絶縁開閉器。
11. 前記固体絶縁層は、２５℃において液状のエポキシ樹脂と、２５℃において液状の酸無水物と、スチレンと、フェニルマレイミドと、コアシェルゴム粒子と、破砕状結晶質シリカと、溶融シリカと、エポキシ硬化触媒と、ラジカル重合開始剤の混合物の硬化体であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の固体絶縁開閉器。
12. 前記接地層が亜鉛またはアルミニウムであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の固体絶縁開閉器。
13. 前記該塗料層は、エポキシ系の下塗り塗料層とウレタン系の上塗り塗料層の２層構造を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の固体絶縁開閉器。
14. 車体と、前記車体に設けられた固体絶縁開閉器とを備え、
    前記固体絶縁開閉器は、請求項１から９のいずれか１項に記載の固体絶縁開閉器であることを特徴とする鉄道車両。

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