絶縁体
【課題】熱、紫外線、及び薬品などへの耐性に優れ、かつ絶縁耐圧が高い絶縁体を提供する。
【解決手段】誘電率の異なる２つのセラミックスを主成分とする誘電部を有し、誘電部のうち、誘電率１５未満の低い誘電率を有するものが低誘電部２とされ、誘電率１５以上の高い誘電率を有するものが高誘電部３とされ、低誘電部２及び高誘電部３が、焼結によって一体化している絶縁体１とする。
【解決手段】誘電率の異なる２つのセラミックスを主成分とする誘電部を有し、誘電部のうち、誘電率１５未満の低い誘電率を有するものが低誘電部２とされ、誘電率１５以上の高い誘電率を有するものが高誘電部３とされ、低誘電部２及び高誘電部３が、焼結によって一体化している絶縁体１とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス絶縁機器の絶縁支持体やケーブル接続部の絶縁部材などとして使用される、セラミックスを主成分とする絶縁体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年強く求められている高電圧機器の小型化には、機器内部に電界の上昇が生じ、この高電圧機器に使用される絶縁体が高い電界に晒されるという問題がある。特に、トリプルジャンクションは、誘電率の異なる３つの物質、絶縁体−導体−絶縁媒体が交わる部位であり、形状的に鋭角な部位が形成されたとき、電界が集中する。この電界集中のために、高電圧機器では、耐電圧性能の著しい低下や、時には絶縁破壊などの機能的な障害をきたすおそれがある。
【０００３】
トリプルジャンクションなどでの電界集中を緩和させるため、従来から次に述べる３つのタイプの絶縁体又は絶縁装置が考えられている。
【０００４】
第１に、電界集中を緩和するために、電界緩和電極を配置する絶縁装置がある。電界緩和電極は、シールドあるいは埋込電極とも呼ばれている。電界緩和電極を配置する絶縁装置では、相間、及び対地間距離が広がり、この絶縁装置を用いる高電圧機器の大型化というデメリットがある。
【０００５】
第２に、低誘電率化した絶縁体がある。一般に、この低誘電率化した絶縁体は、特許文献１及び２に示すような、誘電率の低いエポキシ樹脂からなる有機絶縁材料が用いられている。この低誘電率化した絶縁体を設ける絶縁装置では、装置の大型化を回避できる。
【０００６】
第３に、電界集中を緩和させるために、発生電界に応じて誘電率の異なる絶縁部材を適切な場所に配置し、これらを接合させた絶縁体がある。特許文献３には、高電圧充電部を支持する絶縁固定具において、埋金周囲に配置されたエポキシを主体とした高い誘電率の絶縁部と、この絶縁部の周囲の特定位置に配置形成されたエポキシを主体とした低い誘電率の絶縁部とからなる固体絶縁物が開示されている。特許文献４には、ガス絶縁機器に用いる絶縁スペーサーであって、その内部にガラス、カーボン、又はアラミド等の高誘電率部材を含むエポキシ樹脂が配置され、ガス等の絶縁媒体にさらされる部位にエポキシ樹脂からなる低い誘電率の絶縁部を配置するものが開示されている。これら絶縁固定具及び絶縁スペーサーでは、電界歪や不均衡による耐電圧低下を防止し、さらに絶縁体寸法を大型化すること無く、電界緩和の性能、及び耐電圧性能が良好に発揮される。
【０００７】
さらに、特許文献１〜４の絶縁体にも使用されている、エポキシ樹脂からなる絶縁部材は、成形性に優れ、無機フィラーとの混合などによる誘電率の調整も容易である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−１３０１２６号公報
【特許文献２】特開平５−１９８２０８号公報
【特許文献３】特開平６−８４４１９号公報
【特許文献４】特開平１１−２６２１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１〜４にも開示されている、エポキシなどからなる有機絶縁材料は、熱、紫外線、又は薬品などによって、変性や変形が生じやすい点に難点がある。
【００１０】
また、有機絶縁材料では、セラミックスなどの無機絶縁材料に比べ、理想的破壊電界強度が小さく絶縁耐圧が低いという難点がある。これらの理想的破壊電界強度や絶縁耐圧の難点から、有機絶縁材料では、特許文献３及び４に示すように異なる誘電率の絶縁部材を接合させて電界緩和を図る際にも、各絶縁部材についての誘電率や配置の選択範囲が狭くなってしまう。具体的に述べると、有機絶縁材料では、理想的破壊電界強度や絶縁耐圧の観点から、二つの絶縁部材間の誘電率の比を小さくするように制限されるため、大きな電界緩和効果、すなわち高い絶縁耐圧性能を得ることが難しい。
【００１１】
上記の問題に鑑みて、本発明の課題は、単純形状で、かつ寸法の大型化を図ること無しに絶縁耐圧が高い絶縁体を提供すること、さらに、熱、紫外線、及び薬品などへの耐性に優れた絶縁体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明者等は、種々の絶縁体の材料について鋭意検討した結果、異なる誘電率を有したセラミックスを主成分とする２以上の部材が焼結により一体化されている絶縁体を見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明によれば、以下に示す絶縁体が提供される。
【００１３】
［１］ 誘電率の異なる２つのセラミックスを主成分とする誘電部を有し、前記誘電部のうち、誘電率１５未満の低い誘電率を有するものが低誘電部とされ、誘電率１５以上の高い誘電率を有するものが高誘電部とされ、前記低誘電部及び前記高誘電部が、焼結によって一体化している絶縁体。
【００１４】
［２］ 前記高誘電部の誘電率が、前記低誘電部の誘電率に対して、３〜２０倍である前記［１］に記載の絶縁体。
【００１５】
［３］ 前記高誘電部は、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、酸化銅、酸化スズ、炭化珪素、ニオブ酸リチウム、及びニオブ酸鉛よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む前記［１］又は［２］に記載の絶縁体。
【００１６】
［４］ 高電圧が印加される導体と接触する導体接触面と、接地部と接触する接地接触面と、絶縁媒体と接触する絶縁媒体接触面と、を有し、前記低誘電部は、前記絶縁媒体接触面を形成し、前記高誘電部は、前記高誘電部と前記低誘電部との境界が前記絶縁媒体接触面に沿うように配置されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載の絶縁体。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の絶縁体では、二つの異なる絶縁材料にセラミクッスなどの無機絶縁材料を採用することにより、有機絶縁材料では難しかった大きな誘電率比をとることが可能になる。さらに、本発明の絶縁体では、低誘電率部材からなる絶縁物の内側に高誘電率部材を配置できる尤度が広がったことにより、電界の集中を緩和し、トリプルジャンクションにおける電界強度の低減を図れ、耐電圧性能の向上、或いは本絶縁物を含む機器の小型化を実現できる。また、本発明の絶縁体では、無機絶縁材料であるため、熱、紫外線、及び薬品などへの優れた耐性も合わせて具備させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態である絶縁体の斜視図であり、低誘電部と高誘電部との境界は透視して破線にて示している図である。
【図２】図１の絶縁体が導体と接地部との間に設けられている様子を模式的に表す斜視図である。
【図３】図２中に示すＡ−Ａ’断面の一部断面図であり、導体接触面及び接地接触面それぞれに導体及び接地部が接続された状態にて表されている図である。
【図４】導体から接地部への方向に沿った高誘電部の厚みＺと、トリプルジャンクション部での電界強度との関係を説明するための図である。
【図５】トリプルジャンクション部と高誘電部との距離ｒと、トリプルジャンクション部での電界強度との関係を説明するための図である。
【図６】導体接触面と平行な方向での高誘電部の幅Ｄと、トリプルジャンクション部での電界強度との関係を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態である絶縁体の斜視図であり、低誘電部と高誘電部との境界は透視して破線にて示している図である。
【図８】図７中に示すＡ−Ａ’断面の一部断面図であり、導体接触面及び接地接触面それぞれに導体及び接地部が接続された状態にて表されている図である。
【図９】比較例１の一様な誘電率の絶縁体の斜視図である。
【図１０】図９中に示すＡ−Ａ’断面の一部断面図であり、導体接触面及び接地接触面それぞれに導体及び接地部が接続された状態にて表されている図である。
【図１１Ａ】実施例１の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１１Ｂ】実施例１の絶縁体における電界分布を表す図である。
【図１２Ａ】比較例１の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１２Ｂ】比較例１の絶縁体における電界分布を表す図である。
【図１３Ａ】比較例２の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１３Ｂ】比較例２の絶縁体における電界分布を表す図である。
【図１４Ａ】比較例３の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１４Ｂ】比較例３の絶縁体における電界分布を表す図である。
【図１５】実施例１、及び比較例１〜３の絶縁体についてのトリプルジャンクション部での電界の強度を比較するグラフである。
【図１６】実施例１、及び比較例１〜３の絶縁体ついての、導体から接地部への方向に沿った各位置での絶縁媒体接触面上の電界の強度を表すグラフである。
【図１７Ａ】実施例２の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１７Ｂ】実施例２の絶縁体における電界分布を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２０】
１．絶縁体：
１−１．本発明の絶縁体の基本的な実施形態：
図１は、本発明の技術範囲に属する絶縁体１の斜視図である。本発明の絶縁体１は、セラミックスを主成分とし、異なる誘電率を有している、低誘電部２と高誘電部３とが焼結によって一体化しているものである。高誘電部３は、誘電率１５以上であり、低誘電部２は、誘電率１５未満である。なお、本明細書において、低誘電部２及び高誘電部３の誘電率について、高い、又は、低い、と述べるが、これは低誘電部２の誘電率と、高誘電部３の誘電率とを比較するときの相対的な評価である点に留意する。
【００２１】
ここでいう「焼結により一体化」とは、低誘電部２と高誘電部３とが接触している境界２１において、低誘電部２の主成分であるセラミックスの原料となるセラミックス粉末と、高誘電部３の主成分であるセラミックスの原料となるセラミックス粉末とが焼結によって結合し、低誘電部２と高誘電部２との結合が保持されていることをいう。
【００２２】
また、このような焼結によって、絶縁体１としての使用に十分に耐えうるような低誘電部２と高誘電部２との結合を実現する程度に、低誘電部２及び高誘電部３にセラミックスが含まれていることを、「セラミックスを主成分とする」という基準にする。
【００２３】
本発明の絶縁体１は、これを構成する低誘電部２及び高誘電部３が共にセラミックスを主成分とするため、エポキシ樹脂に代表される有機材料からなる絶縁体１と比較して、熱、紫外線、及び薬品などによる劣化も少ない。
【００２４】
焼結による一体化により、本発明の絶縁体１は、低誘電部２と高誘電部３とが直接的に結合する。そのため、本発明の絶縁体１では、低誘電部２と高誘電部３との結合に接着剤などの電界に影響を及ぼしうる他の部材を排除できる。よって、本発明の絶縁体１では、電界の設計する際、低誘電部２及び高誘電部３それぞれの誘電率を単純に考慮すればよく、当業者であれば、シミュレーションによる電界の設計を容易に適用できる。なお、シミュレーションについては、実施例において一具体例を詳しく述べる。
【００２５】
図１に示す絶縁体１は高誘電部３が低誘電部２の中に埋め込まれている形態になっているが、本発明の絶縁体１では、絶縁体１の仕様に応じ、絶縁媒体接触面１３の一部が高誘電部３から形成される形態であってもよい。このような形態であっても、シミュレーションにより低誘電部２及び高誘電部３の最適な配置を見つけ出すことができる。
【００２６】
本発明の絶縁体１は、上述の基本的な実施形態を備える限りにおいて、用途に応じて、形状・大きさなどを自由に設計できる。次に、本発明の絶縁体１について、誘電率、成分などに関する具体的な形態を説明しつつ、好ましい実施形態についても述べていく。
【００２７】
１−２．低誘電部と高誘電部との間の誘電率比：
本発明の絶縁体１では、高誘電部３の誘電率が、低誘電部の誘電率に対して、３〜２０倍であると好ましい。誘電率の比率を大きくすることにより電界の集中を緩和する作用が高まるため、本発明の絶縁体１は、トリプルジャンクション部６１などにおいて、特許文献１及び２に示される均一かつ低誘電率化した絶縁材料よりも、優れた電界緩和の効果を実現できる。
【００２８】
１−３．低誘電部の成分：
低誘電部２の主成分となるセラミックスは、低誘電部２の誘電率を１５未満とし、低誘電部２と高誘電部３との焼結による一体化を実現させるものであればよい。
【００２９】
低誘電部２の主成分となるセラミックスとしては、例えば、各種ガラス、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素、コージェライトなどがある。また、低誘電部２は、ここに挙げたセラミックスが複数含まれるものであってもよい。
【００３０】
１−４．高誘電部の成分：
高誘電部３の主成分となるセラミックスは、高誘電部３の誘電率を１５以上とし、低誘電部２と高誘電部３との焼結による一体化を実現させるものであればよい。
【００３１】
高誘電部３の主成分となるセラミックスとしては、例えば、各種ガラス、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素、コージェライトなどがある。また、高誘電部３は、ここに挙げたセラミックスが複数含まれるものであってもよい。
【００３２】
さらに、高誘電部３は、誘電率を高めるため、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、酸化銅、酸化スズ、炭化珪素、ニオブ酸リチウム、及びニオブ酸鉛よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。ここに挙げた成分の選択と量については、高誘電部３の誘電率、主成分となるセラミックスの種類などに応じて設定できる。
【００３３】
１−５．導体と接地との間に設けられる絶縁体としての実施形態：
図２は、図１に示す本発明の絶縁体１が、高電圧が印加される導体３１と接地部３２との間に設けられている様子を模式的に示す。このように、本発明の絶縁体１は、導体３１と接地部３２との間を支持する絶縁支持体として使用できる。なお、絶縁支持体は、碍子、スペーサー、ブッシングなどとも呼ばれている。
【００３４】
本発明の絶縁体１では、図２に示すような絶縁支持体として使用するとき、絶縁体１の表面について、次の面が規定される。
【００３５】
図１及び図２を参照し述べると、本発明の絶縁体１の表面のうち、導体３１と接触する表面は導体接触面１１とし、接地部３２と接触する表面は接地接触面１２とし、絶縁媒体と接触する表面は絶縁媒体接触面１３とする。
【００３６】
本発明の絶縁体１の表面のうち、導体接触面１１と絶縁媒体接触面１３とが交わる箇所は、交点部１４とする。
【００３７】
図３は、図２中に示すＡ−Ａ’断面の一部を表す。絶縁体１が導体３１及び接地部３２に接続されているとき、交点部１４は、誘電率の異なる３つの物質、絶縁体１、導体３１、及び絶縁媒体３３が交わる、いわゆるトリプルジャンクション部６１にあたる。トリプルジャンクション部６１では、図３に示すように、絶縁媒体３３を挟んで絶縁体１と導体３１とが鋭角を形成したとき、電界が集中する。
【００３８】
本発明の絶縁体１は、低誘電部２が絶縁媒体接触面１３を形成していると好ましい。また、このとき、高誘電部３は、絶縁媒体接触面１３、特にトリプルジャンクション部６１における電界の集中を緩和させるような形状と配置にて設けられていると好ましい。
【００３９】
１−６．本発明の絶縁体の利点：
絶縁媒体の破壊電圧は様々な要因により一義的に比較するのは困難であるが、通常、アルミナなどの無機絶縁材料の理想的破壊電界は１０００ｋＶ／ｍｍといわれており、対して、エポキシなどの有機絶縁材料の理想的破壊電界は１００ｋＶ／ｍｍといわれている。本発明の絶縁体１は、セラミックを主成分とする無機絶縁材料のみから構成されているため、有機絶縁材料では困難と考えられている、低誘電部２と高誘電部３との間の大きな誘電率比の設定、及び高誘電部３をトリプルジャンクション部６１に近接させた特殊な配置などが可能になる。このように無機絶縁材料からなることに起因した本発明の絶縁体１の利点については、実施例においてシミュレーションを用い詳しく述べる。
【００４０】
２．絶縁体の製造方法：
本発明の絶縁体１の製造方法は、従来公知の様々な方法を採用できる。例えば、射出成型、スリップキャスト、コールドアイソスタティックプレス、スラリーディップ、ドクターブレード法、及びゲルキャスト法などがある。
【００４１】
ゲルキャスト法とは、セラミックス粉末、分散媒、及びゲル化剤を少なくとも含むスラリーを調製し、次いでこのスラリーを成形型の内部の成形空間に注型してゲル化させることにより成形体を形成し、さらにこの成形体を焼成することによってセラミックス製品を製造する方法である。ゲルキャスト法では、低誘電部２と高誘電部３とが複雑な形状にて組み合されることにも対応でき、一体化している低誘電部２と高誘電部３との境界２１に欠陥が生じにくい利点もある。例えば、特開２００１−３３５３７１号公報にゲルキャスト法が詳しく説明されている。
【００４２】
例えば、次に述べるゲルキャスト法を用いる製造方法によって、本発明の絶縁体１を製造できる。
【００４３】
２−１．ゲルキャスト法による成形及び焼成の概要：
ゲルキャスト法を用いる絶縁体の製造方法の一実施形態では、低誘電部２の型がとれる成形型と、低誘電部２と高誘電部３とが一体化した形状の型がとれる成形型を用意する。
【００４４】
まず、低誘電部２の型がとれる成形型の成形空間内に低誘電部２のためのスラリーを注型してゲル化させ、低誘電部２のもとになる成形体を作製する。
【００４５】
次いで、低誘電部２と高誘電部３とが一体化した形状の型がとれる成形型の成形空間の所定の場所に、先に成形された低誘電部２のもとになる成形体を配置し、残余の成形空間に高誘電部３のためのスラリーを注型してゲル化させることにより、低誘電部２と高誘電部３からなる絶縁体１のための成形体を作製する。
【００４６】
続いて、この成形体を焼成することにより、低誘電部２の主成分であるセラミックスの原料となるセラミックス粉末と、高誘電部３の主成分であるセラミックスの原料となるセラミックス粉末とが境界２１において焼結によって結合するため、低誘電部２と高誘電部３とが焼結によって一体化した絶縁体１ができる。
【００４７】
低誘電部２と高誘電部３とが複雑な形の境界２１を有して結合しているときには、２以上の成形型を用意して、低誘電部２及び高誘電部３の成形体を部分的に成形し、この部分的な成形を段階的に行うことにより、低誘電部２と高誘電部３からなる絶縁体１のための成形体を作りあげる方法を採用できる。
【００４８】
また、高誘電部３が、誘電率の異なる複数の領域４１から形成されるときには、上述の低誘電部２及び高誘電部３の成形と同様の方法を適用すればよい。すなわち、各領域４１の誘電率に応じたスラリーを調製し、それぞれ領域４１の形状の型がとれる成形型を用意して段階的に成形していけばよい。
【００４９】
２−２．スラリー：
低誘電部２、及び高誘電部３を形成するためのスラリーは、セラミックス粉末、分散剤、バインダーなどを混合させて調製する。
【００５０】
低誘電部２、及び高誘電部３を形成するためのスラリーの調製は、セラミックス粉末、分散剤、ゲル化剤などから調製し、場合によっては無機フィラーを適宜添加することにより、誘電率を調整しつつ行う。
【００５１】
以上のようなゲルキャスト法では、成形型を使用するため、各部の寸法誤差を小さくできる。また、既に成形体の時点において、低誘電部２及び高誘電部３が所望の形状・配置にて一体の状態になるため、低誘電部２と高誘電部３とが焼結によって確実に一体化する。
【００５２】
この絶縁体１の製造方法では、焼成の後、低誘電部２又は高誘電部３をトリミングして、電界の集中の緩和に適する形状に仕上げることもできる。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５４】
３−１．シミュレーションによるトリプルジャンクション部での電界集中の緩和の検討：
ここでは、図１に示す円錐台形の絶縁体１を想定したシミュレーションの一例を説明する。高誘電部３は、真円の断面の両端が開いた円筒形状であり、高誘電部３の円筒形状の軸１９に沿った両端が平行になっている。このような高誘電部３が、高誘電部３の円筒形状の軸１９を絶縁体１の円錐台形の軸２０に合わせて低誘電部２の中に埋め込まれ、高誘電部３の一方の端部が導体接触面１１に現れている。そのため、絶縁体１を導体接触面１１は、軸１９，２０を中心として同心円状に、中心に低誘電部２、中間に高誘電部３、外周に低誘電部２という配置から構成される。
【００５５】
図３は、図１及び図２中のＡ−Ａ’断面の一部を表す、導体３１及び接地部３２に接続された絶縁体１の断面であり、軸１９、２０を含むように切られている。この円錐台形の絶縁体１では、導体接触面１１が小さく接地接触面３２が大きいため、導体３１と絶縁媒体接触面１３との間が鋭角になる。そのため、この図に示す絶縁体１では、導体接触面１１と絶縁媒体接触面１３とが交わる交点部１４が、（電極）導体−絶縁物沿面−絶縁媒体の三要素が接触するトリプルジャンクション部６１にあたり、導体３１に高電圧をかけたときには電界が集中しやすくなる。
【００５６】
高誘電部３の端部のうち、トリプルジャンクション部６１に最も近い端部、換言すると交点部１４に最も近い端部を交点側端部３０とする。図３に示す絶縁体１において、交点側端部３０は、導体接触面１１上にある。
【００５７】
まとめると、図１〜３に示す絶縁体１では、低誘電部２が、絶縁媒体接触面１３を形成している。さらに、高誘電部３は、低誘電部２と高誘電部３との境界２１が絶縁媒体接触面１３に沿うように配置されている。具体的に述べると、高誘電部３の配置は、交点部１４近傍、すなわちトリプルジャンクション部６１近傍において、高誘電部３の交点側端部３０から接地部３２に向かって形成されている境界２１ａが絶縁媒体接触面１３に沿うようになされている。
【００５８】
上述の形態の絶縁体１において、低誘電部２と高誘電部３との誘電率比を１０とし、絶縁媒体を真空としたときのシミュレーションの結果を、高誘電部３の形状及び配置に関する３つのパラメータに注目し、図３の断面図、及び図４〜６に示すデータを参照しつつ説明する。
【００５９】
第１のパラメータは、高誘電部３の厚みＺである。図３を参照し述べると、高誘電部３の厚みＺは、導体接触面１１上に現れている高誘電部３の一方の端部から他方の端部までの長さである。また、高誘電部３の厚みＺは、絶縁媒体接触面１３に沿うように交点側端部３０から接地部３２に向かって形成されている境界２１ａの長さにも比例している。
【００６０】
図４のグラフでは、高誘電部３の厚みＺとトリプルジャンクション部６１での電界強度との関係をシミュレーションにて算出した結果が示されている。図１〜３に示す低誘電部２及び高誘電部３の形状と配置のケースでは、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ以上あるとき、トリプルジャンクション部６１の電界強度が十分に小さい、すなわちトリプルジャンクション部６１での電界集中が緩和される。なお、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ以上という数値は、後で述べる高誘電部３の幅Ｄ、交点側端部３０とトリプルジャンクション部６１との距離ｒ、電圧、導体３１と絶縁媒体接触面１３との角度θによらないことがシミュレーションで判明している。さらに、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ以上のときには、接地部３２の側にある境界２１ｂに発生する内部電界集中が、トリプルジャンクション部６１に影響を及ぼさない。
【００６１】
第２のパラメータは、高誘電部３の交点側端部３０と交点部１４（トリプルジャンクション部６１）との距離ｒである。
【００６２】
図５のグラフでは、距離ｒとトリプルジャンクション部６１での電界強度との関係をシミュレーションにて算出した結果が示されている。なお、図５のグラフのシミュレーションでは、前述の高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍに設定されている。図５のグラフから、距離ｒが、小さいときほどトリプルジャンクション部６１での電界強度が小さくなる、すなわちトリプルジャンクション部６１での電界集中が緩和されることがわかる。距離ｒが０ｍｍのとき、すなわち高誘電部３の交点側端部３０が交点１４（トリプルジャンクション部６１）と一致するとき、トリプルジャンクション部６１での電界強度が最も小さくなる。
【００６３】
第３のパラメータは、高誘電部３の幅Ｄである。図３を参照し述べると、高誘電部３の幅Ｄは、導体３１に対して平行に、交点側端部３０から絶縁体１の軸２０に向かう方向に測られる高誘電部３の長さである。
【００６４】
図６のグラフでは、高誘電部３の幅Ｄとトリプルジャンクション部６１での電界強度との関係をシミュレーションにて算出した結果が示されている。図６のグラフから、図１〜３に示す低誘電部２及び高誘電部３の形状と配置のケースにおいて、高誘電部３の幅Ｄが３ｍｍ以上のとき、トリプルジャンクション部６１での電界強度が十分に小さい、すなわちトリプルジャンクション部６１での電界集中が緩和されることがわかる。これは、高誘電部３の幅Ｄが３ｍｍ以上あれば、境界２１ａ全体に沿って電位を引き込む効果が十分に現れ、結果、トリプルジャンクション部６１近傍の電界は弱まるからである。
【００６５】
以上のシミュレーションの結果から、図１〜３に示す低誘電部２及び高誘電部３の形状と配置のケースにおいて、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ以上、高誘電部３０の交点側端部３０と交点部１４（トリプルジャンクション部６１）との距離ｒが０ｍｍ、高誘電部３の幅Ｄが３ｍｍ以上のとき、トリプルジャンクション部６１での電界集中が十分に緩和されることが判明した。次に、上述の高誘電部３の形状及び配置を備えた絶縁体１における、低誘電部２と高誘電部３との誘電率比、及び材質との関係に着目してシミュレーションした結果を述べる。
【００６６】
３−２．低誘電部と高誘電部の誘電率比の検討：
３−２−１．絶縁体の構成：
図１、図７及び図９に示す円錐台形の絶縁体１についてのシミュレーションをした。次に述べる実施例１及び比較例１〜３の絶縁体１は、導体接触面１１の直径２０ｍｍ、接地接触面１２の直径４０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円錐台形とし、絶縁体１の導体接触面１１には１００ｋＶの電圧がかかる導体３１を接続し、絶縁媒体３３は真空とした。絶縁体１の材質、誘電率比については、次に述べるものに設定した。
【００６７】
（実施例１）
上述の、図１〜３に示す低誘電部２及び高誘電部３の形状と配置と同じであり、上述のシミュレーションにおいてトリプルジャンクション部６１での電界集中の十分な緩和が示された形態である、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ、高誘電部３０の交点側端部３０と交点部１４（トリプルジャンクション部６１）との距離ｒが０ｍｍ、高誘電部３の幅Ｄが３ｍｍとなるように設定した。低誘電部２及び高誘電部３が、ともにセラミックスを主成分とする無機絶縁材料からなり、低誘電部２の誘電率が８、高誘電部３の誘電率が８０とした。
【００６８】
（実施例２）
図７は、実施例２の絶縁体１の斜視図である。図８は、図７中のＡ−Ａ’断面の一部断面図であり、導体接触面１１及び接地接触面１２それぞれに導体３１及び接地部３２が接続された状態にて表されている。高誘電部３は、直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱形状として絶縁体１の中心に配置した。実施例２の絶縁体１において、交点側端部３０は、交点部１４（トリプルジャンクション部６１）に一致し、境界２１ａは、絶縁媒体接触面１３に沿って交点側端部３０から接地接触面１２まで形成されている。
【００６９】
（比較例１）
図９の斜視図及び図１０の断面図に示す、エポキシ樹脂の有機絶縁材料からなり、誘電率５にて一様な円錐台形の絶縁体１とした。
【００７０】
（比較例２）
低誘電部２及び高誘電部３は、ともにエポキシ樹脂からなる有機絶縁材料とし、低誘電部２の誘電率が５、高誘電部３の誘電率が９とした以外は、実施例１に同じとした。
【００７１】
（比較例３）
低誘電部２及び高誘電部３は、ともにエポキシ樹脂からなる有機絶縁材料とし、低誘電部２の誘電率が５、高誘電部３の誘電率が５０とした以外は、実施例１に同じとした。
【００７２】
３−２−２．シミュレーションの結果及び評価：
シミュレーションにより得られた電位分布について、実施例１は図１１Ａ、比較例１は１２Ａ、及び比較例２は図１３Ａ、比較例３は図１４Ａに示す。シミュレーションにより得られた電界分布について、実施例１は図１１Ｂ、比較例１は１２Ｂ、及び比較例２は図１３Ｂ、比較例３は図１４Ｂに示す。さらに、実施例１及び比較例１〜３の絶縁体１について、トリプルジャンクション部６１での電界強度を図１５のグラフに示す。なお、図１５のグラフに示すトリプルジャンクション部６１での電界強度は、比較例１におけるトリプルジャンクション部６１での電界強度を１００した相対値にて表す。
【００７３】
誘電率５にて一様な比較例１の絶縁体１よりも、低誘電部２と高誘電部３とからなる、実施例１、比較例２及び比較例３の絶縁体１では、トリプルジャンクション部６１での電界強度が小さいことが判明した。さらに、誘電部２と高誘電部３とからなる絶縁体１でも、低誘電部２と高誘電部３との間の誘電率比が大きい実施例１及び比較例３の絶縁体１は、比較例２の絶縁体１と比べ、トリプルジャンクション部６１での電界強度がより小さいことが判明した。
【００７４】
なお、図１１Ｂ及び図１４Ｂ中の矢頭にて示すように、実施例１及び比較例３の絶縁体１では、低誘電部２と高誘電部３との境界２１に内部電界集中が生じることが判明した。この内部電界中の程度は、セラミックスを主成分とする無機絶縁材料からなる実施例１の絶縁体１では内部絶縁破壊は生じないが、エポキシ樹脂の有機絶縁材料からなる比較例３の絶縁体１では内部絶縁破壊が生じることが予想されるものであった。
【００７５】
図１６のグラフは、実施例１及び比較例１〜３の絶縁体１について、導体接触面１１から接地接触面１２への方向に沿った絶縁媒体接触面１３上の各位置での電界強度を示す。図１６のグラフの縦軸の上限（Ｚ＝１０ｍｍ）は、トリプルジャンクション部６１に相当する。比較例１の絶縁体１では、トリプルジャンクション部６１における電界強度が著しく大きい。比較例２の絶縁体１では、比較例１と比べ、トリプルジャンクション部６１における電界強度の増大は若干和らいでいた。実施例１及び比較例３の絶縁体１では、トリプルジャンクション部６１での電界強度が小さく、むしろ導体接触面１１と接地接触面１２との中間の位置での絶縁媒体接触面１３上で電界強度が大きいことが判明した。
【００７６】
図１７Ａ及び図１７Ｂは、それぞれ実施例２の絶縁体１における電位分布及び電界分布を表す。低誘電部２と高誘電部３との境界２１ａが、絶縁媒体接触面１３に沿って交点側端部３０から接地接触面１２まで形成されている形態においても、トリプルジャンクション部６１での電界集中の緩和がなさることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、ガス絶縁機器の絶縁支持体やケーブル接続部の絶縁部材などとして使用される、セラミックスを主成分とする絶縁体として利用できる。
【符号の説明】
【００７８】
１：絶縁体、２：絶縁媒体接触部、３：高誘電率部、１１：導体接触面、１２：接地接触面、１３：絶縁媒体接触面、１４：交点部、１９：円筒形状の軸、２０：円錐台形の軸、２１：境界、２１ａ：境界、２１ｂ：境界、３１：導体、３２：接地部、３３：絶縁媒体、６１：トリプルジャンクション部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス絶縁機器の絶縁支持体やケーブル接続部の絶縁部材などとして使用される、セラミックスを主成分とする絶縁体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年強く求められている高電圧機器の小型化には、機器内部に電界の上昇が生じ、この高電圧機器に使用される絶縁体が高い電界に晒されるという問題がある。特に、トリプルジャンクションは、誘電率の異なる３つの物質、絶縁体−導体−絶縁媒体が交わる部位であり、形状的に鋭角な部位が形成されたとき、電界が集中する。この電界集中のために、高電圧機器では、耐電圧性能の著しい低下や、時には絶縁破壊などの機能的な障害をきたすおそれがある。
【０００３】
トリプルジャンクションなどでの電界集中を緩和させるため、従来から次に述べる３つのタイプの絶縁体又は絶縁装置が考えられている。
【０００４】
第１に、電界集中を緩和するために、電界緩和電極を配置する絶縁装置がある。電界緩和電極は、シールドあるいは埋込電極とも呼ばれている。電界緩和電極を配置する絶縁装置では、相間、及び対地間距離が広がり、この絶縁装置を用いる高電圧機器の大型化というデメリットがある。
【０００５】
第２に、低誘電率化した絶縁体がある。一般に、この低誘電率化した絶縁体は、特許文献１及び２に示すような、誘電率の低いエポキシ樹脂からなる有機絶縁材料が用いられている。この低誘電率化した絶縁体を設ける絶縁装置では、装置の大型化を回避できる。
【０００６】
第３に、電界集中を緩和させるために、発生電界に応じて誘電率の異なる絶縁部材を適切な場所に配置し、これらを接合させた絶縁体がある。特許文献３には、高電圧充電部を支持する絶縁固定具において、埋金周囲に配置されたエポキシを主体とした高い誘電率の絶縁部と、この絶縁部の周囲の特定位置に配置形成されたエポキシを主体とした低い誘電率の絶縁部とからなる固体絶縁物が開示されている。特許文献４には、ガス絶縁機器に用いる絶縁スペーサーであって、その内部にガラス、カーボン、又はアラミド等の高誘電率部材を含むエポキシ樹脂が配置され、ガス等の絶縁媒体にさらされる部位にエポキシ樹脂からなる低い誘電率の絶縁部を配置するものが開示されている。これら絶縁固定具及び絶縁スペーサーでは、電界歪や不均衡による耐電圧低下を防止し、さらに絶縁体寸法を大型化すること無く、電界緩和の性能、及び耐電圧性能が良好に発揮される。
【０００７】
さらに、特許文献１〜４の絶縁体にも使用されている、エポキシ樹脂からなる絶縁部材は、成形性に優れ、無機フィラーとの混合などによる誘電率の調整も容易である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−１３０１２６号公報
【特許文献２】特開平５−１９８２０８号公報
【特許文献３】特開平６−８４４１９号公報
【特許文献４】特開平１１−２６２１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１〜４にも開示されている、エポキシなどからなる有機絶縁材料は、熱、紫外線、又は薬品などによって、変性や変形が生じやすい点に難点がある。
【００１０】
また、有機絶縁材料では、セラミックスなどの無機絶縁材料に比べ、理想的破壊電界強度が小さく絶縁耐圧が低いという難点がある。これらの理想的破壊電界強度や絶縁耐圧の難点から、有機絶縁材料では、特許文献３及び４に示すように異なる誘電率の絶縁部材を接合させて電界緩和を図る際にも、各絶縁部材についての誘電率や配置の選択範囲が狭くなってしまう。具体的に述べると、有機絶縁材料では、理想的破壊電界強度や絶縁耐圧の観点から、二つの絶縁部材間の誘電率の比を小さくするように制限されるため、大きな電界緩和効果、すなわち高い絶縁耐圧性能を得ることが難しい。
【００１１】
上記の問題に鑑みて、本発明の課題は、単純形状で、かつ寸法の大型化を図ること無しに絶縁耐圧が高い絶縁体を提供すること、さらに、熱、紫外線、及び薬品などへの耐性に優れた絶縁体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明者等は、種々の絶縁体の材料について鋭意検討した結果、異なる誘電率を有したセラミックスを主成分とする２以上の部材が焼結により一体化されている絶縁体を見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明によれば、以下に示す絶縁体が提供される。
【００１３】
［１］ 誘電率の異なる２つのセラミックスを主成分とする誘電部を有し、前記誘電部のうち、誘電率１５未満の低い誘電率を有するものが低誘電部とされ、誘電率１５以上の高い誘電率を有するものが高誘電部とされ、前記低誘電部及び前記高誘電部が、焼結によって一体化している絶縁体。
【００１４】
［２］ 前記高誘電部の誘電率が、前記低誘電部の誘電率に対して、３〜２０倍である前記［１］に記載の絶縁体。
【００１５】
［３］ 前記高誘電部は、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、酸化銅、酸化スズ、炭化珪素、ニオブ酸リチウム、及びニオブ酸鉛よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む前記［１］又は［２］に記載の絶縁体。
【００１６】
［４］ 高電圧が印加される導体と接触する導体接触面と、接地部と接触する接地接触面と、絶縁媒体と接触する絶縁媒体接触面と、を有し、前記低誘電部は、前記絶縁媒体接触面を形成し、前記高誘電部は、前記高誘電部と前記低誘電部との境界が前記絶縁媒体接触面に沿うように配置されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載の絶縁体。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の絶縁体では、二つの異なる絶縁材料にセラミクッスなどの無機絶縁材料を採用することにより、有機絶縁材料では難しかった大きな誘電率比をとることが可能になる。さらに、本発明の絶縁体では、低誘電率部材からなる絶縁物の内側に高誘電率部材を配置できる尤度が広がったことにより、電界の集中を緩和し、トリプルジャンクションにおける電界強度の低減を図れ、耐電圧性能の向上、或いは本絶縁物を含む機器の小型化を実現できる。また、本発明の絶縁体では、無機絶縁材料であるため、熱、紫外線、及び薬品などへの優れた耐性も合わせて具備させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態である絶縁体の斜視図であり、低誘電部と高誘電部との境界は透視して破線にて示している図である。
【図２】図１の絶縁体が導体と接地部との間に設けられている様子を模式的に表す斜視図である。
【図３】図２中に示すＡ−Ａ’断面の一部断面図であり、導体接触面及び接地接触面それぞれに導体及び接地部が接続された状態にて表されている図である。
【図４】導体から接地部への方向に沿った高誘電部の厚みＺと、トリプルジャンクション部での電界強度との関係を説明するための図である。
【図５】トリプルジャンクション部と高誘電部との距離ｒと、トリプルジャンクション部での電界強度との関係を説明するための図である。
【図６】導体接触面と平行な方向での高誘電部の幅Ｄと、トリプルジャンクション部での電界強度との関係を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態である絶縁体の斜視図であり、低誘電部と高誘電部との境界は透視して破線にて示している図である。
【図８】図７中に示すＡ−Ａ’断面の一部断面図であり、導体接触面及び接地接触面それぞれに導体及び接地部が接続された状態にて表されている図である。
【図９】比較例１の一様な誘電率の絶縁体の斜視図である。
【図１０】図９中に示すＡ−Ａ’断面の一部断面図であり、導体接触面及び接地接触面それぞれに導体及び接地部が接続された状態にて表されている図である。
【図１１Ａ】実施例１の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１１Ｂ】実施例１の絶縁体における電界分布を表す図である。
【図１２Ａ】比較例１の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１２Ｂ】比較例１の絶縁体における電界分布を表す図である。
【図１３Ａ】比較例２の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１３Ｂ】比較例２の絶縁体における電界分布を表す図である。
【図１４Ａ】比較例３の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１４Ｂ】比較例３の絶縁体における電界分布を表す図である。
【図１５】実施例１、及び比較例１〜３の絶縁体についてのトリプルジャンクション部での電界の強度を比較するグラフである。
【図１６】実施例１、及び比較例１〜３の絶縁体ついての、導体から接地部への方向に沿った各位置での絶縁媒体接触面上の電界の強度を表すグラフである。
【図１７Ａ】実施例２の絶縁体における電位分布を表す図である。
【図１７Ｂ】実施例２の絶縁体における電界分布を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２０】
１．絶縁体：
１−１．本発明の絶縁体の基本的な実施形態：
図１は、本発明の技術範囲に属する絶縁体１の斜視図である。本発明の絶縁体１は、セラミックスを主成分とし、異なる誘電率を有している、低誘電部２と高誘電部３とが焼結によって一体化しているものである。高誘電部３は、誘電率１５以上であり、低誘電部２は、誘電率１５未満である。なお、本明細書において、低誘電部２及び高誘電部３の誘電率について、高い、又は、低い、と述べるが、これは低誘電部２の誘電率と、高誘電部３の誘電率とを比較するときの相対的な評価である点に留意する。
【００２１】
ここでいう「焼結により一体化」とは、低誘電部２と高誘電部３とが接触している境界２１において、低誘電部２の主成分であるセラミックスの原料となるセラミックス粉末と、高誘電部３の主成分であるセラミックスの原料となるセラミックス粉末とが焼結によって結合し、低誘電部２と高誘電部２との結合が保持されていることをいう。
【００２２】
また、このような焼結によって、絶縁体１としての使用に十分に耐えうるような低誘電部２と高誘電部２との結合を実現する程度に、低誘電部２及び高誘電部３にセラミックスが含まれていることを、「セラミックスを主成分とする」という基準にする。
【００２３】
本発明の絶縁体１は、これを構成する低誘電部２及び高誘電部３が共にセラミックスを主成分とするため、エポキシ樹脂に代表される有機材料からなる絶縁体１と比較して、熱、紫外線、及び薬品などによる劣化も少ない。
【００２４】
焼結による一体化により、本発明の絶縁体１は、低誘電部２と高誘電部３とが直接的に結合する。そのため、本発明の絶縁体１では、低誘電部２と高誘電部３との結合に接着剤などの電界に影響を及ぼしうる他の部材を排除できる。よって、本発明の絶縁体１では、電界の設計する際、低誘電部２及び高誘電部３それぞれの誘電率を単純に考慮すればよく、当業者であれば、シミュレーションによる電界の設計を容易に適用できる。なお、シミュレーションについては、実施例において一具体例を詳しく述べる。
【００２５】
図１に示す絶縁体１は高誘電部３が低誘電部２の中に埋め込まれている形態になっているが、本発明の絶縁体１では、絶縁体１の仕様に応じ、絶縁媒体接触面１３の一部が高誘電部３から形成される形態であってもよい。このような形態であっても、シミュレーションにより低誘電部２及び高誘電部３の最適な配置を見つけ出すことができる。
【００２６】
本発明の絶縁体１は、上述の基本的な実施形態を備える限りにおいて、用途に応じて、形状・大きさなどを自由に設計できる。次に、本発明の絶縁体１について、誘電率、成分などに関する具体的な形態を説明しつつ、好ましい実施形態についても述べていく。
【００２７】
１−２．低誘電部と高誘電部との間の誘電率比：
本発明の絶縁体１では、高誘電部３の誘電率が、低誘電部の誘電率に対して、３〜２０倍であると好ましい。誘電率の比率を大きくすることにより電界の集中を緩和する作用が高まるため、本発明の絶縁体１は、トリプルジャンクション部６１などにおいて、特許文献１及び２に示される均一かつ低誘電率化した絶縁材料よりも、優れた電界緩和の効果を実現できる。
【００２８】
１−３．低誘電部の成分：
低誘電部２の主成分となるセラミックスは、低誘電部２の誘電率を１５未満とし、低誘電部２と高誘電部３との焼結による一体化を実現させるものであればよい。
【００２９】
低誘電部２の主成分となるセラミックスとしては、例えば、各種ガラス、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素、コージェライトなどがある。また、低誘電部２は、ここに挙げたセラミックスが複数含まれるものであってもよい。
【００３０】
１−４．高誘電部の成分：
高誘電部３の主成分となるセラミックスは、高誘電部３の誘電率を１５以上とし、低誘電部２と高誘電部３との焼結による一体化を実現させるものであればよい。
【００３１】
高誘電部３の主成分となるセラミックスとしては、例えば、各種ガラス、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素、コージェライトなどがある。また、高誘電部３は、ここに挙げたセラミックスが複数含まれるものであってもよい。
【００３２】
さらに、高誘電部３は、誘電率を高めるため、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、酸化銅、酸化スズ、炭化珪素、ニオブ酸リチウム、及びニオブ酸鉛よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。ここに挙げた成分の選択と量については、高誘電部３の誘電率、主成分となるセラミックスの種類などに応じて設定できる。
【００３３】
１−５．導体と接地との間に設けられる絶縁体としての実施形態：
図２は、図１に示す本発明の絶縁体１が、高電圧が印加される導体３１と接地部３２との間に設けられている様子を模式的に示す。このように、本発明の絶縁体１は、導体３１と接地部３２との間を支持する絶縁支持体として使用できる。なお、絶縁支持体は、碍子、スペーサー、ブッシングなどとも呼ばれている。
【００３４】
本発明の絶縁体１では、図２に示すような絶縁支持体として使用するとき、絶縁体１の表面について、次の面が規定される。
【００３５】
図１及び図２を参照し述べると、本発明の絶縁体１の表面のうち、導体３１と接触する表面は導体接触面１１とし、接地部３２と接触する表面は接地接触面１２とし、絶縁媒体と接触する表面は絶縁媒体接触面１３とする。
【００３６】
本発明の絶縁体１の表面のうち、導体接触面１１と絶縁媒体接触面１３とが交わる箇所は、交点部１４とする。
【００３７】
図３は、図２中に示すＡ−Ａ’断面の一部を表す。絶縁体１が導体３１及び接地部３２に接続されているとき、交点部１４は、誘電率の異なる３つの物質、絶縁体１、導体３１、及び絶縁媒体３３が交わる、いわゆるトリプルジャンクション部６１にあたる。トリプルジャンクション部６１では、図３に示すように、絶縁媒体３３を挟んで絶縁体１と導体３１とが鋭角を形成したとき、電界が集中する。
【００３８】
本発明の絶縁体１は、低誘電部２が絶縁媒体接触面１３を形成していると好ましい。また、このとき、高誘電部３は、絶縁媒体接触面１３、特にトリプルジャンクション部６１における電界の集中を緩和させるような形状と配置にて設けられていると好ましい。
【００３９】
１−６．本発明の絶縁体の利点：
絶縁媒体の破壊電圧は様々な要因により一義的に比較するのは困難であるが、通常、アルミナなどの無機絶縁材料の理想的破壊電界は１０００ｋＶ／ｍｍといわれており、対して、エポキシなどの有機絶縁材料の理想的破壊電界は１００ｋＶ／ｍｍといわれている。本発明の絶縁体１は、セラミックを主成分とする無機絶縁材料のみから構成されているため、有機絶縁材料では困難と考えられている、低誘電部２と高誘電部３との間の大きな誘電率比の設定、及び高誘電部３をトリプルジャンクション部６１に近接させた特殊な配置などが可能になる。このように無機絶縁材料からなることに起因した本発明の絶縁体１の利点については、実施例においてシミュレーションを用い詳しく述べる。
【００４０】
２．絶縁体の製造方法：
本発明の絶縁体１の製造方法は、従来公知の様々な方法を採用できる。例えば、射出成型、スリップキャスト、コールドアイソスタティックプレス、スラリーディップ、ドクターブレード法、及びゲルキャスト法などがある。
【００４１】
ゲルキャスト法とは、セラミックス粉末、分散媒、及びゲル化剤を少なくとも含むスラリーを調製し、次いでこのスラリーを成形型の内部の成形空間に注型してゲル化させることにより成形体を形成し、さらにこの成形体を焼成することによってセラミックス製品を製造する方法である。ゲルキャスト法では、低誘電部２と高誘電部３とが複雑な形状にて組み合されることにも対応でき、一体化している低誘電部２と高誘電部３との境界２１に欠陥が生じにくい利点もある。例えば、特開２００１−３３５３７１号公報にゲルキャスト法が詳しく説明されている。
【００４２】
例えば、次に述べるゲルキャスト法を用いる製造方法によって、本発明の絶縁体１を製造できる。
【００４３】
２−１．ゲルキャスト法による成形及び焼成の概要：
ゲルキャスト法を用いる絶縁体の製造方法の一実施形態では、低誘電部２の型がとれる成形型と、低誘電部２と高誘電部３とが一体化した形状の型がとれる成形型を用意する。
【００４４】
まず、低誘電部２の型がとれる成形型の成形空間内に低誘電部２のためのスラリーを注型してゲル化させ、低誘電部２のもとになる成形体を作製する。
【００４５】
次いで、低誘電部２と高誘電部３とが一体化した形状の型がとれる成形型の成形空間の所定の場所に、先に成形された低誘電部２のもとになる成形体を配置し、残余の成形空間に高誘電部３のためのスラリーを注型してゲル化させることにより、低誘電部２と高誘電部３からなる絶縁体１のための成形体を作製する。
【００４６】
続いて、この成形体を焼成することにより、低誘電部２の主成分であるセラミックスの原料となるセラミックス粉末と、高誘電部３の主成分であるセラミックスの原料となるセラミックス粉末とが境界２１において焼結によって結合するため、低誘電部２と高誘電部３とが焼結によって一体化した絶縁体１ができる。
【００４７】
低誘電部２と高誘電部３とが複雑な形の境界２１を有して結合しているときには、２以上の成形型を用意して、低誘電部２及び高誘電部３の成形体を部分的に成形し、この部分的な成形を段階的に行うことにより、低誘電部２と高誘電部３からなる絶縁体１のための成形体を作りあげる方法を採用できる。
【００４８】
また、高誘電部３が、誘電率の異なる複数の領域４１から形成されるときには、上述の低誘電部２及び高誘電部３の成形と同様の方法を適用すればよい。すなわち、各領域４１の誘電率に応じたスラリーを調製し、それぞれ領域４１の形状の型がとれる成形型を用意して段階的に成形していけばよい。
【００４９】
２−２．スラリー：
低誘電部２、及び高誘電部３を形成するためのスラリーは、セラミックス粉末、分散剤、バインダーなどを混合させて調製する。
【００５０】
低誘電部２、及び高誘電部３を形成するためのスラリーの調製は、セラミックス粉末、分散剤、ゲル化剤などから調製し、場合によっては無機フィラーを適宜添加することにより、誘電率を調整しつつ行う。
【００５１】
以上のようなゲルキャスト法では、成形型を使用するため、各部の寸法誤差を小さくできる。また、既に成形体の時点において、低誘電部２及び高誘電部３が所望の形状・配置にて一体の状態になるため、低誘電部２と高誘電部３とが焼結によって確実に一体化する。
【００５２】
この絶縁体１の製造方法では、焼成の後、低誘電部２又は高誘電部３をトリミングして、電界の集中の緩和に適する形状に仕上げることもできる。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５４】
３−１．シミュレーションによるトリプルジャンクション部での電界集中の緩和の検討：
ここでは、図１に示す円錐台形の絶縁体１を想定したシミュレーションの一例を説明する。高誘電部３は、真円の断面の両端が開いた円筒形状であり、高誘電部３の円筒形状の軸１９に沿った両端が平行になっている。このような高誘電部３が、高誘電部３の円筒形状の軸１９を絶縁体１の円錐台形の軸２０に合わせて低誘電部２の中に埋め込まれ、高誘電部３の一方の端部が導体接触面１１に現れている。そのため、絶縁体１を導体接触面１１は、軸１９，２０を中心として同心円状に、中心に低誘電部２、中間に高誘電部３、外周に低誘電部２という配置から構成される。
【００５５】
図３は、図１及び図２中のＡ−Ａ’断面の一部を表す、導体３１及び接地部３２に接続された絶縁体１の断面であり、軸１９、２０を含むように切られている。この円錐台形の絶縁体１では、導体接触面１１が小さく接地接触面３２が大きいため、導体３１と絶縁媒体接触面１３との間が鋭角になる。そのため、この図に示す絶縁体１では、導体接触面１１と絶縁媒体接触面１３とが交わる交点部１４が、（電極）導体−絶縁物沿面−絶縁媒体の三要素が接触するトリプルジャンクション部６１にあたり、導体３１に高電圧をかけたときには電界が集中しやすくなる。
【００５６】
高誘電部３の端部のうち、トリプルジャンクション部６１に最も近い端部、換言すると交点部１４に最も近い端部を交点側端部３０とする。図３に示す絶縁体１において、交点側端部３０は、導体接触面１１上にある。
【００５７】
まとめると、図１〜３に示す絶縁体１では、低誘電部２が、絶縁媒体接触面１３を形成している。さらに、高誘電部３は、低誘電部２と高誘電部３との境界２１が絶縁媒体接触面１３に沿うように配置されている。具体的に述べると、高誘電部３の配置は、交点部１４近傍、すなわちトリプルジャンクション部６１近傍において、高誘電部３の交点側端部３０から接地部３２に向かって形成されている境界２１ａが絶縁媒体接触面１３に沿うようになされている。
【００５８】
上述の形態の絶縁体１において、低誘電部２と高誘電部３との誘電率比を１０とし、絶縁媒体を真空としたときのシミュレーションの結果を、高誘電部３の形状及び配置に関する３つのパラメータに注目し、図３の断面図、及び図４〜６に示すデータを参照しつつ説明する。
【００５９】
第１のパラメータは、高誘電部３の厚みＺである。図３を参照し述べると、高誘電部３の厚みＺは、導体接触面１１上に現れている高誘電部３の一方の端部から他方の端部までの長さである。また、高誘電部３の厚みＺは、絶縁媒体接触面１３に沿うように交点側端部３０から接地部３２に向かって形成されている境界２１ａの長さにも比例している。
【００６０】
図４のグラフでは、高誘電部３の厚みＺとトリプルジャンクション部６１での電界強度との関係をシミュレーションにて算出した結果が示されている。図１〜３に示す低誘電部２及び高誘電部３の形状と配置のケースでは、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ以上あるとき、トリプルジャンクション部６１の電界強度が十分に小さい、すなわちトリプルジャンクション部６１での電界集中が緩和される。なお、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ以上という数値は、後で述べる高誘電部３の幅Ｄ、交点側端部３０とトリプルジャンクション部６１との距離ｒ、電圧、導体３１と絶縁媒体接触面１３との角度θによらないことがシミュレーションで判明している。さらに、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ以上のときには、接地部３２の側にある境界２１ｂに発生する内部電界集中が、トリプルジャンクション部６１に影響を及ぼさない。
【００６１】
第２のパラメータは、高誘電部３の交点側端部３０と交点部１４（トリプルジャンクション部６１）との距離ｒである。
【００６２】
図５のグラフでは、距離ｒとトリプルジャンクション部６１での電界強度との関係をシミュレーションにて算出した結果が示されている。なお、図５のグラフのシミュレーションでは、前述の高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍに設定されている。図５のグラフから、距離ｒが、小さいときほどトリプルジャンクション部６１での電界強度が小さくなる、すなわちトリプルジャンクション部６１での電界集中が緩和されることがわかる。距離ｒが０ｍｍのとき、すなわち高誘電部３の交点側端部３０が交点１４（トリプルジャンクション部６１）と一致するとき、トリプルジャンクション部６１での電界強度が最も小さくなる。
【００６３】
第３のパラメータは、高誘電部３の幅Ｄである。図３を参照し述べると、高誘電部３の幅Ｄは、導体３１に対して平行に、交点側端部３０から絶縁体１の軸２０に向かう方向に測られる高誘電部３の長さである。
【００６４】
図６のグラフでは、高誘電部３の幅Ｄとトリプルジャンクション部６１での電界強度との関係をシミュレーションにて算出した結果が示されている。図６のグラフから、図１〜３に示す低誘電部２及び高誘電部３の形状と配置のケースにおいて、高誘電部３の幅Ｄが３ｍｍ以上のとき、トリプルジャンクション部６１での電界強度が十分に小さい、すなわちトリプルジャンクション部６１での電界集中が緩和されることがわかる。これは、高誘電部３の幅Ｄが３ｍｍ以上あれば、境界２１ａ全体に沿って電位を引き込む効果が十分に現れ、結果、トリプルジャンクション部６１近傍の電界は弱まるからである。
【００６５】
以上のシミュレーションの結果から、図１〜３に示す低誘電部２及び高誘電部３の形状と配置のケースにおいて、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ以上、高誘電部３０の交点側端部３０と交点部１４（トリプルジャンクション部６１）との距離ｒが０ｍｍ、高誘電部３の幅Ｄが３ｍｍ以上のとき、トリプルジャンクション部６１での電界集中が十分に緩和されることが判明した。次に、上述の高誘電部３の形状及び配置を備えた絶縁体１における、低誘電部２と高誘電部３との誘電率比、及び材質との関係に着目してシミュレーションした結果を述べる。
【００６６】
３−２．低誘電部と高誘電部の誘電率比の検討：
３−２−１．絶縁体の構成：
図１、図７及び図９に示す円錐台形の絶縁体１についてのシミュレーションをした。次に述べる実施例１及び比較例１〜３の絶縁体１は、導体接触面１１の直径２０ｍｍ、接地接触面１２の直径４０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円錐台形とし、絶縁体１の導体接触面１１には１００ｋＶの電圧がかかる導体３１を接続し、絶縁媒体３３は真空とした。絶縁体１の材質、誘電率比については、次に述べるものに設定した。
【００６７】
（実施例１）
上述の、図１〜３に示す低誘電部２及び高誘電部３の形状と配置と同じであり、上述のシミュレーションにおいてトリプルジャンクション部６１での電界集中の十分な緩和が示された形態である、高誘電部３の厚みＺが２．６ｍｍ、高誘電部３０の交点側端部３０と交点部１４（トリプルジャンクション部６１）との距離ｒが０ｍｍ、高誘電部３の幅Ｄが３ｍｍとなるように設定した。低誘電部２及び高誘電部３が、ともにセラミックスを主成分とする無機絶縁材料からなり、低誘電部２の誘電率が８、高誘電部３の誘電率が８０とした。
【００６８】
（実施例２）
図７は、実施例２の絶縁体１の斜視図である。図８は、図７中のＡ−Ａ’断面の一部断面図であり、導体接触面１１及び接地接触面１２それぞれに導体３１及び接地部３２が接続された状態にて表されている。高誘電部３は、直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱形状として絶縁体１の中心に配置した。実施例２の絶縁体１において、交点側端部３０は、交点部１４（トリプルジャンクション部６１）に一致し、境界２１ａは、絶縁媒体接触面１３に沿って交点側端部３０から接地接触面１２まで形成されている。
【００６９】
（比較例１）
図９の斜視図及び図１０の断面図に示す、エポキシ樹脂の有機絶縁材料からなり、誘電率５にて一様な円錐台形の絶縁体１とした。
【００７０】
（比較例２）
低誘電部２及び高誘電部３は、ともにエポキシ樹脂からなる有機絶縁材料とし、低誘電部２の誘電率が５、高誘電部３の誘電率が９とした以外は、実施例１に同じとした。
【００７１】
（比較例３）
低誘電部２及び高誘電部３は、ともにエポキシ樹脂からなる有機絶縁材料とし、低誘電部２の誘電率が５、高誘電部３の誘電率が５０とした以外は、実施例１に同じとした。
【００７２】
３−２−２．シミュレーションの結果及び評価：
シミュレーションにより得られた電位分布について、実施例１は図１１Ａ、比較例１は１２Ａ、及び比較例２は図１３Ａ、比較例３は図１４Ａに示す。シミュレーションにより得られた電界分布について、実施例１は図１１Ｂ、比較例１は１２Ｂ、及び比較例２は図１３Ｂ、比較例３は図１４Ｂに示す。さらに、実施例１及び比較例１〜３の絶縁体１について、トリプルジャンクション部６１での電界強度を図１５のグラフに示す。なお、図１５のグラフに示すトリプルジャンクション部６１での電界強度は、比較例１におけるトリプルジャンクション部６１での電界強度を１００した相対値にて表す。
【００７３】
誘電率５にて一様な比較例１の絶縁体１よりも、低誘電部２と高誘電部３とからなる、実施例１、比較例２及び比較例３の絶縁体１では、トリプルジャンクション部６１での電界強度が小さいことが判明した。さらに、誘電部２と高誘電部３とからなる絶縁体１でも、低誘電部２と高誘電部３との間の誘電率比が大きい実施例１及び比較例３の絶縁体１は、比較例２の絶縁体１と比べ、トリプルジャンクション部６１での電界強度がより小さいことが判明した。
【００７４】
なお、図１１Ｂ及び図１４Ｂ中の矢頭にて示すように、実施例１及び比較例３の絶縁体１では、低誘電部２と高誘電部３との境界２１に内部電界集中が生じることが判明した。この内部電界中の程度は、セラミックスを主成分とする無機絶縁材料からなる実施例１の絶縁体１では内部絶縁破壊は生じないが、エポキシ樹脂の有機絶縁材料からなる比較例３の絶縁体１では内部絶縁破壊が生じることが予想されるものであった。
【００７５】
図１６のグラフは、実施例１及び比較例１〜３の絶縁体１について、導体接触面１１から接地接触面１２への方向に沿った絶縁媒体接触面１３上の各位置での電界強度を示す。図１６のグラフの縦軸の上限（Ｚ＝１０ｍｍ）は、トリプルジャンクション部６１に相当する。比較例１の絶縁体１では、トリプルジャンクション部６１における電界強度が著しく大きい。比較例２の絶縁体１では、比較例１と比べ、トリプルジャンクション部６１における電界強度の増大は若干和らいでいた。実施例１及び比較例３の絶縁体１では、トリプルジャンクション部６１での電界強度が小さく、むしろ導体接触面１１と接地接触面１２との中間の位置での絶縁媒体接触面１３上で電界強度が大きいことが判明した。
【００７６】
図１７Ａ及び図１７Ｂは、それぞれ実施例２の絶縁体１における電位分布及び電界分布を表す。低誘電部２と高誘電部３との境界２１ａが、絶縁媒体接触面１３に沿って交点側端部３０から接地接触面１２まで形成されている形態においても、トリプルジャンクション部６１での電界集中の緩和がなさることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、ガス絶縁機器の絶縁支持体やケーブル接続部の絶縁部材などとして使用される、セラミックスを主成分とする絶縁体として利用できる。
【符号の説明】
【００７８】
１：絶縁体、２：絶縁媒体接触部、３：高誘電率部、１１：導体接触面、１２：接地接触面、１３：絶縁媒体接触面、１４：交点部、１９：円筒形状の軸、２０：円錐台形の軸、２１：境界、２１ａ：境界、２１ｂ：境界、３１：導体、３２：接地部、３３：絶縁媒体、６１：トリプルジャンクション部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電率の異なる２つのセラミックスを主成分とする誘電部を有し、
前記誘電部のうち、誘電率１５未満の低い誘電率を有するものが低誘電部とされ、誘電率１５以上の高い誘電率を有するものが高誘電部とされ、
前記低誘電部及び前記高誘電部が、焼結によって一体化している絶縁体。
【請求項２】
前記高誘電部の誘電率が、前記低誘電部の誘電率に対して、３〜２０倍である請求項１に記載の絶縁体。
【請求項３】
前記高誘電部は、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、酸化銅、酸化スズ、炭化珪素、ニオブ酸リチウム、及びニオブ酸鉛よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む請求項１又は２に記載の絶縁体。
【請求項４】
高電圧が印加される導体と接触する導体接触面と、接地部と接触する接地接触面と、絶縁媒体と接触する絶縁媒体接触面と、を有し、
前記低誘電部は、前記絶縁媒体接触面を形成し、
前記高誘電部は、前記高誘電部と前記低誘電部との境界が前記絶縁媒体接触面に沿うように配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の絶縁体。
【請求項１】
誘電率の異なる２つのセラミックスを主成分とする誘電部を有し、
前記誘電部のうち、誘電率１５未満の低い誘電率を有するものが低誘電部とされ、誘電率１５以上の高い誘電率を有するものが高誘電部とされ、
前記低誘電部及び前記高誘電部が、焼結によって一体化している絶縁体。
【請求項２】
前記高誘電部の誘電率が、前記低誘電部の誘電率に対して、３〜２０倍である請求項１に記載の絶縁体。
【請求項３】
前記高誘電部は、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、酸化銅、酸化スズ、炭化珪素、ニオブ酸リチウム、及びニオブ酸鉛よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む請求項１又は２に記載の絶縁体。
【請求項４】
高電圧が印加される導体と接触する導体接触面と、接地部と接触する接地接触面と、絶縁媒体と接触する絶縁媒体接触面と、を有し、
前記低誘電部は、前記絶縁媒体接触面を形成し、
前記高誘電部は、前記高誘電部と前記低誘電部との境界が前記絶縁媒体接触面に沿うように配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の絶縁体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図１６】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図１６】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【公開番号】特開２０１０−２３２０１６（Ｐ２０１０−２３２０１６Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７８３６８（Ｐ２００９−７８３６８）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]