エキシマレーザー関連用品：フッ素耐性オイルおよびカプセル化

エキシマレーザー関連用品：フッ素耐性オイルおよびカプセル化

抽象

油と封止材は、別々に使用するよりも一緒に使用する方が劣化が速くなります。一方の材料から発生したHFとフッ素化ラジカルがもう一方の材料に溶け込み、内部から攻撃することで、劣化速度が5～20倍に増加します。この記事では、それぞれの劣化速度と複合劣化速度、寿命モデル、4つの現場故障モード、そして10,000時間にわたってレーザー電源を維持できる油と封止材の組み合わせについて説明します。

はじめに

エキシマレーザー電源は、高電圧部品の周囲に特別な絶縁と冷却が必要です。絶縁油は部品間の隙間を埋め、部分放電を抑制し、熱を逃がします。部品自体は、エポキシ、シリコーン、またはポリウレタンなどの有機封止材で覆われています。

フッ素環境下では、両方の物質が同時に分解の影響を受ける。それぞれが単独でも一定の速度で劣化するが、接触すると、一方の物質の分解生成物がもう一方の物質の分解を促進する。その結果、両者の分解速度は、それぞれの分解速度の合計の5～20倍になる。

この用途では、被ばく環境が非常に厳しい。チャンバー内には0.1%～5%のF2ガスが存在し、電源筐体内に漏れ出す。筐体の温度は50℃～80℃で動作する。電界は10kV/mm～30kV/mmに達し、パルスレートは6kHzに達する。

この記事では、個々の劣化と複合的な劣化、6種類のオイルと封止材の組み合わせの適合性、4種類の現場故障モード、寿命モデル、および10,000時間の使用期間を確保するための選定手順について説明します。

2. コアメカニズム

2.1 封止材の劣化

フッ素はポリマー鎖から水素を取り除き、フッ素に置き換える。

R−H + F2 → R−F + HF

ここで、R−Hは水素を含むポリマー繰り返し単位、F2はフッ素分子、R−Fはフッ素化単位、HFは放出されたフッ化水素である。

同じ反応によって主鎖が切断され、隣接する鎖が架橋されます。50℃、1% F2溶液中のエポキシ樹脂は、1,000時間ごとに特性が1%から5%低下します。5,000時間から10,000時間後には脆くなり、ひび割れが生じ、部品を保護する機能が失われます。

2.2 絶縁油の劣化

鉱物油も同様に反応し、その炭化水素鎖がフッ素化される。

CnH2n+2 + F2 → CnH2n+1F + HF

ここで、CnH2n+2はパラフィン分子、F2はフッ素分子、CnH2n+1Fはフッ素化生成物、HFは放出されたフッ化水素である。

活性酸素種は油を酸化して酸、スラッジ、ガスを生成します。ラジカルは油分子を重合させ、粘度を上昇させます。50℃、1%フッ素溶液中の鉱物油は、1,000時間ごとに特性の2%から10%を失い、酸性化し、3,000時間から8,000時間後には絶縁耐力が低下します。

2.3 シナジー効果

接触すると、3つの効果が両方の速度に加算されます。封止材中のHFが油に溶解してフッ化水素酸を生成します。フッ化水素酸はF2よりもはるかに腐食性が高く、内部から攻撃します。フッ素化ラジカルが油中に移動し、連鎖反応を開始します。油は副生成物を吸収し、封止材を5～20%膨張させ、さらにフッ素が侵入する亀裂を開きます。

複合料金には追加条項があります。

k_syn = S × (k1 + k2)

ここで、k_synは相乗的分解速度、Sは相乗係数、k1は封止剤速度、k2は油速度である。50℃で1% F2中のエポキシを含む鉱物油の場合、Sは5から10まで変化し、観測された速度は1,000時間あたり30%から60%に達する。

2.4 寿命予測

故障までの時間は、初期資産価値を各率の合計で割った値に比例します。

t_failure = C0 / (k1 + k2 + k_syn)

ここで、t_failureは故障までの時間、C0は絶縁耐力などの初期材料特性、k1とk2は1,000時間あたりの個別の故障率、k_synは複合故障率です。

k1 = 3、k2 = 3、k_syn = 30、C0 = 100 の場合、t_failure = 100 / 36 × 1,000、つまり 2,780 時間となります。測定範囲は 500 時間から 2,000 時間なので、このモデルは安全側に設定されています。

HFの侵入も拡散法則に従い、その深さは時間の平方根に比例して増加する。

x = 2 × sqrt(D × t)

ここで、xはHFの封止材への浸透深さ、Dはポリマー中のHFの拡散係数、tは曝露時間である。浸透深さが電極に達すると、バルク速度に関係なく保護効果は終了する。

図1 — エポキシ樹脂を含む鉱物油は、1% F2の50℃で1,000時間あたり45%の特性損失に達する。無機セラミック体を含むフッ素化油は相乗効果を示さない。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：汚染された油は絶縁耐力が低下する

鉱物油とエポキシ樹脂の場合、複合反応によってHFとフッ素化ラジカルが油中に直接放出されます。1,000時間から2,000時間後には油はpH4以下の酸性になり、抵抗率は10^9Ω・cm以下に低下します。

すると、油が絶縁ギャップを介して漏洩電流を運び、部品が故障する。作業員は油の供給業者を非難し、同じグレードの新しい油を補充しても同じ期間内に同じ故障が繰り返される。

問題点２：カプセル化剤の膨張により水分経路が開く

油はフッ素化副生成物を吸収し、封止材を5～20%膨潤させる。500～1,500時間後、この膨潤によってコーティングに亀裂が生じる。その後、水がセラミック表面に到達し、HFと結合して非常に腐食性の高い皮膜を形成する。

部品は1,000時間から3,000時間後に故障し、作業者はシール材の供給業者を非難する。気密性の高いセラミックと金属のろう付けにより、膨張によって生じた経路が除去される。

問題点３：スラッジが冷却経路を塞いでいる

鉱物油中でのラジカル重合によりスラッジが生成され、それが部品表面に堆積する。1,000時間から3,000時間後には、このスラッジが冷却チャネルを通る油の流れを阻害し、損失の大きい誘電体部分にホットスポットが発生する。

温度上昇によって化学反応が加速し、スラッジがさらに生成される。オペレーターは冷却ループに問題があると指摘するが、オイル分析の結果、酸価と粘度が既に許容範囲を超えていることが判明した。

問題点4：ガス発生により内部圧力が上昇する

フッ素の下にある有機物は、HF、H2、CF4、およびCO2を放出します。密閉容器内ではガスが蓄積し、圧力が上昇します。2,000時間から5,000時間後には、シールが破裂するか、ケースが割れます。

作業員は部品の破損を確認し、過圧が原因だと判断した。ヘッドスペースのサンプリングにより、1シフト以内にフッ素反応が起こったことが判明した。

4. 設計手順

戦略1：フッ素化油を使用する

鉱物油を、HFやフッ素化ラジカルを溶解しないパーフルオロポリエーテル（PFPE）に置き換えてください。PFPEオイルは、40 kV/mmを超える絶縁耐力、10^14 Ω·cmを超える抵抗率、および200 °Cまでの熱安定性を有します。使用時のフッ素濃度の2倍の条件下で、1,000時間以上にわたって封止材との適合性を確認してください。

戦略2：有機封止材をセラミックに置き換える

エポキシ樹脂やシリコーン樹脂から、フッ素と反応しないアルミナやジルコニアなどの無機セラミック封止材に切り替えます。セラミックシェルは気密性が高く、20 kV/mm以上の電圧に耐え、20 W/m·Kから30 W/m·Kの熱伝導率を示します。 N4700 セラミック製の本体とろう付けシールを備えた部品を使用することで、システムから有機物の表面を除去することができます。

戦略3：シリコーンオイルとシリコーンカプセル化に頼る

PFPEのコストやセラミックシェルといった要因で最初の2つの選択肢が除外される場合は、シリコーンオイルとシリコーン封止材を使用してください。この組み合わせは、鉱物油とエポキシ樹脂の組み合わせの10～20倍に対し、2～5の相乗効果を発揮します。使用時のフッ素濃度の1.5倍の条件下で、1,000時間以上にわたってその効果を検証してください。

戦略4：オイルをろ過し、交換時期をスケジュールする

オイルからHF、スラッジ、微粒子を除去するろ過ループを設置してください。オイルは2,000時間から5,000時間ごとに交換し、酸価、絶縁耐力、粘度を監視してください。抵抗率が10^9 Ω·cmを下回る前に、傾向に基づいてサービスを開始してください。

戦略5：筐体内部に到達するフッ素を遮断する

チャンバー境界にはダブルOリングと窒素パージを使用してください。高電圧フィードスルーにはすべて金属シールまたはナイフエッジ継手を使用し、電気化学センサーで筐体を監視してください。10 ppm F2で警報を発するように設定してください。これはチャンバーレベル0.1%をはるかに下回る値です。

戦略6：抵抗器本体をフッ素でコーティングする

選択 HVR-BSP 直列型厚膜抵抗器 フッ素耐性エポキシ樹脂（セラミック充填剤入り）またはシリコーン樹脂（アルミナ充填剤入り）によるコーティングを施し、膜厚が50µm以上であることを指定する。選択した油に対して、1% F2の条件下で1,000時間以上コーティングの性能を検証する。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. フッ素に曝されるレーザー電源用のHVC N4700コンデンサ

このノードにおける選択を左右する3つの要件は、フッ素による腐食を受けない本体、フッ素の侵入を防ぐシール、そしてPFPEオイルへの浸漬に耐える誘電体です。HVCは、東莞にある自社工場（6,000平方メートル）で、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応する部品を製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• アルミナセラミック、銀パラジウム電極、ガラスシールからなる完全無機質の構造体。これら3つの材料はいずれもフッ素、HF、フッ素化ラジカルとは反応しないため、相乗効果を発揮する対象が存在しない。
• 漏洩率が1e−8 atm·cc/s以下のセラミックと金属のろう付けシール。内部誘電体は筐体の雰囲気に触れることがないため、2.4節のHF拡散経路は壁面で遮断される。
• PFPEオイルとの相溶性があり、断熱性と冷却性が向上します。この部品はフッ素化オイルに1,000時間以上浸漬しても、特性に目立った変化は見られません。
• 誘電損失が0.1%未満、定格電圧での放電が5pC未満のN4700誘電体を使用。低損失により自己発熱を抑え、低放電により内部侵食をゼロに抑えます。
• ラジアルリード、スクリュー端子、および 1 kV から 150 kV までの電圧範囲に対応 ドアノブコンデンサつまり、1つの無機系システムがパルスネットワーク、充電電源、およびトリガーフィルタを担うことになる。
• レーザーフィールドサービスプログラムにおける一流ブランドの代替品として認定されています。HVC部品は、電気パラメータとパッケージ寸法が適合しています。 村田 ねじ込み式、Vishay HVCC、およびTDK UHV/FHV。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、カスタムセットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリングでは、オイルと封止材の適合性スクリーニング、シナジーモデリング、シール漏洩率レビュー、フッ素暴露試験計画などをサポートします。

フッ素濃度、容器温度、油種、および使用時間をお送りください。HVCは、加速試験データを含む材料適合性シートと2サンプル評価キットを5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：なぜ、複合的な劣化速度は、2つの劣化速度を合計した速度よりも速くなるのですか？

それぞれの材料が互いに影響し合うためです。エポキシ樹脂はHFとフッ素化ラジカルを放出し、これらが油に溶解します。そして酸性の油がエポキシ樹脂を内部から侵食します。また、油は封止材を5～20%膨張させ、亀裂を生じさせてさらにフッ素が侵入する原因となります。追加費用は、個々の費用の合計の5～20倍にもなります。

Q2：ペアリングにかかる​​耐用年数はどれくらいですか？

50℃、1% F2の条件下でエポキシ樹脂を含む鉱物油は、1,000時間あたり30%から60%の特性低下を示し、500時間から2,000時間で故障する。どちらかの材料単体では、5,000時間から10,000時間の寿命が予測される。この組み合わせをPFPEオイルとセラミックボディに置き換えると、予測寿命は有限の範囲から外れる。

Q3：どのオイルと封止剤の組み合わせが最も安全ですか？

無機セラミックボディとPFPEオイルの組み合わせでは、どちらの材料もHFを溶解せず、フッ素とも反応しないため、相乗効果は全く見られません。ろう付けシールを施したセラミックシェルも、HFが誘電体へ拡散するのを阻止します。シリコーンオイルとシリコーンカプセル化は、2～5の相乗効果が得られる実用的な代替手段となります。

Q4：絶縁耐力を確保するために、油にはどのような特性が必要ですか？

PFPEオイルは40 kV/mm以上の電圧と10^14 Ω·cm以上の抵抗率を維持します。オイルの抵抗率が10^9 Ω·cmを下回る前にアラームを発報してください。これは、汚染された鉱物油が1,000時間から2,000時間後に到達するレベルです。酸価と粘度を同じスケジュールで監視し、2,000時間から5,000時間ごとにオイルを交換してください。

Q5：電源筐体内にフッ素が入らないようにするにはどうすればよいですか？

チャンバー境界にダブルOリングを使用し、エンクロージャを窒素でパージし、すべての高電圧フィードスルーに金属またはナイフエッジシールを使用します。電気化学センサーで監視し、10 ppmでアラームします。 整流ダイオード フィードスルーは、筐体への最後の経路を閉じます。

Q6：新しい材料の組み合わせをどのように認定すればよいですか？

フッ素濃度をサービス時の2倍、かつ温度範囲の上限で1,000時間運転し、絶縁耐力、質量変化、酸価を測定する。中程度の暴露試験として、フッ素濃度を1.5倍にして同様の試験を繰り返す。特性損失が10%未満であり、10倍の倍率で亀裂が見られない場合に、試験ペアを合格とする。

7。 リファレンス

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11. HVCアプリケーションエンジニアリングチーム、 高電圧セラミックコンデンサ 技術リソース、https://www.hv-caps.com