ref.2 |
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換算時間法の適用事例 |
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ヒートサイクル劣化 と 定温劣化 の 熱的寿命の相互評価 |
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1. 目的 |
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絶縁材料のヒートサイクル劣化 と 定温劣化の 相互の熱寿命時間換算法を明らかにする |
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計算手法は 換算時間法を適用する。 |
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2. 熱劣化条件 |
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定温加熱劣化と ヒートサイクル加熱劣化モデル |
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T2(高温) |
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定温加熱劣化とはToで運転 |
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T0 |
される状態をいう。 |
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ヒートサイクル加熱劣化とは |
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T1(低温) |
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T1(低温) から T2(高温) |
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昇温速度a |
降温速度b |
のくり返し運転される状態をいう。 |
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t2(h) |
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1サイクル |
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図1 模式図 |
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2.1
定温劣化による 換算時間(isothermal) : Θiso |
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To一定温度で 1サイクル で受けた換算時間は下式で示される。 |
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Θiso = tiso/ exp(E/RTo) |
・・・・・・・・・・・・・・・・ T |
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ここで |
E ;加熱する材料の活性化エネルギ |
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R ;ガス定数(一定値) |
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t iso ; 1サイクルの加熱時間 |
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2.2 ヒートサイクル劣化による 換算時間一般解 (dynamic) : Θdyn
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先に示したように 1サイクル で受けた換算時間は 下式で示される。 |
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Θdyn = (1/a + 1/b ) (E/R
) [ P(E/RT2)- P(E/RT1)] |
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ここで P(y) = exp(-y) / y^2 , y =
E/RT を示す。 |
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E ;加熱する材料の活性化エネルギ |
T1 ; 低温側温度 |
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R ;ガス定数(一定値) |
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T2 ; 高温側温度 |
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t dyn ; 1サイクルの加熱時間 |
a,b ; それぞれ昇温速度、降温速度 |
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又 a = (T2-T1) / t1
, b = (T2-T1) / t2 であるので |
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1/a + 1/b =t / (T2−T1) となるので これを前式に代入すると |
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Θdyn = ( 1/ (T2−T1))*(E/R ) * [ P(E/RT2)- P(E/RT1)] * tdyn |
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= { 1/ (T2−T1)}*(E/R ) * |
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{ exp(-E/RT2) /(E/RT2)
^2 - exp(-E/RT1) /(E/RT1)^2 }*tdyn ・・・・U |
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61 |
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2.3 評価 |
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寿命表現の一つである ある特性値にいたる換算時間は加熱劣化過程が |
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ヒートサイクルであろうと 一定温度劣化であろうと 一定である。 |
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故に |
Θiso
= Θdyn |
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・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・V |
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V式 から あるヒートサイクル条件で受けた熱履歴は 一定温度で受けた |
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熱履歴温度に換算すると 何度になるのか などが求められる。 |
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これから ヒートサイクル劣化条件と 等価な 定温度劣化時間の換算法を 求めてみよう。 |
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ヒートサイクル劣化条件と 等価な定温度劣化時間の最終算出式は以下となる。 |
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tiso= {E
*(exp(E/RT0)} * |
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【exp(-E/RT2) /(E/RT2) ^2 - exp(-E/RT1)
/(E/RT1)^2】* tdyn /〔(T2−T1)*R〕 |
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2.3.1 算出条件の設定 |
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ケース 1 |
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ヒートサイクル条件 |
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定温劣化条件 |
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T1 |
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50℃ |
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323 |
K |
T0 |
100℃ |
373 |
K |
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T2 |
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150℃ |
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423 |
K |
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1サイクル時間 |
50分 |
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0.83 h |
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t iso |
????? |
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全ヒートサイクル回数 |
2000回 |
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1667 |
h |
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これが求めるもの |
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E(活性化エネルギ) |
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E(活性化エネルギ) |
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材料A ;F種 |
27.7kcal/mol |
420000 |
J/mol |
材料A ;F種 |
116340 |
J/mol |
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R ガス定数 |
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8.317 |
J/mol.・K |
R
ガス定数 |
8.317 |
J/mol.・K |
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2.3.2 ケース1 での 定温度劣化時間 の算出結果 |
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T2-T1 |
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60 |
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E/RT0 |
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135.386 |
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E/RT1 |
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156.3436 |
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低温(50℃)-高温(150℃)の繰返しヒートサイクル |
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E/RT2 |
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119.3829 |
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(1667 h)では 幾何学的な算術平均温度は |
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exp(E/RT0) |
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6.27E+58 |
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exp(E/RT1) |
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7.93E+67 |
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(150−50)/2 =100℃ であるが |
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exp(E/RT2) |
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7.04E+51 |
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(E/RT1)^2 |
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24443.32 |
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理論的な熱授受計算{換算時間法) では |
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(E/RT2)^2 |
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14252.28 |
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ヒ−トサイクル劣化条件と熱的な同じ劣化度に |
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(T2−T1)*R |
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499.02 |
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至るまででは 100℃ので 29913 (h) 劣化さ |
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E
* exp(E/RT0) |
2.63E+64 |
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せたことに等しい。 |
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exp(-E/RT2) /(E/RT2) ^2 |
9.97E-57 |
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exp(-E/RT1) /(E/RT1)^2 |
5.16E-73 |
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これは 熱影響は高温度側で 指数関数的に |
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20 |
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t dyn |
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1667 |
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影響するためである。又この考え方を利用すると |
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熱的な影響度を維持して短時間で評価する |
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t iso |
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8.8E+08 |
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方法(加速試験)として有用である。 |
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62 |
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熱劣化加速試験には 材料の活性化エネルギ-値の確認とこれを換算時間法を採用した 、 |
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熱影響物性等価法を熟知して 評価採用する事が望ましい。 |
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材料の活性化エネルギーを 簡便に求める 物理化学分析 TGA(熱重量分析) |
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については 別資料を参考にして理解してください。 |
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同様に他の事例を纏めた結果を以下に示す。 各自が確認計算するとよいでしょう。 |
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表 |
定温劣化とヒートサイクル劣化との寿命比較 |
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活性化エネルギ |
定温 |
温度サイクル |
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定温 |
温度サイクル |
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kcal/mol |
J/mol |
150℃ |
130 |
|
170℃ |
180℃ |
160 |
|
200℃ |
|
20 |
84000 |
1 |
|
0.83 |
|
1 |
|
0.87 |
|
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25 |
105000 |
1 |
|
0.75 |
|
1 |
|
0.8 |
|
|
30 |
126000 |
1 |
|
0.67 |
|
1 |
|
0.73 |
|
|
35 |
147000 |
1 |
|
0.53 |
|
1 |
|
0.66 |
|
|
40 |
168000 |
1 |
|
0.5 |
|
1 |
|
0.59 |
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表 |
温度の異なる 定温劣化の寿命比較 |
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活性化エネルギ |
温度 |
温度 |
温度 |
|
半減則温度 |
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kcal/mol |
J/mol |
130℃ |
150℃ |
180℃ |
|
(℃) |
**1) |
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15 |
63000 |
1 |
0.41 |
0.13 |
|
16 |
|
|
|
20 |
84000 |
1 |
0.3 |
0.07 |
|
12 |
|
|
|
25 |
105000 |
1 |
0.23 |
0.03 |
|
10 |
|
|
|
30 |
126000 |
1 |
0.17 |
0.02 |
|
8 |
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**1) |
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算出例 |
E=105000J/mol の場合 |
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0.03=(1/2)^{(180−130)/β} =(1/2)^(50/β) |
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これより β=9.8 ≒ 10℃ となる。 |
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一般的に有機絶縁材料の活性化エネルギ E =84000〜126000J/mol であることから |
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概ね E=105000 J/mol とみなし、 10℃半減則が成り立つ としているのが慣例である。 |
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63 |
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