ผสานคุณสมบัติที่ขัดแย้ง! “เทคโนโลยีการกระจายตัวของฟิลเลอร์” เปลี่ยนแปลงอนาคตของวัสดุ

• #ความยืดหยุ่นของโครงสร้างพื้นฐาน
• #การรักษาเสถียรภาพพลังงาน

“สารตัวเติม” ผงเพียงไม่กี่ไมครอนที่ผสมลงในเรซิน ผงนี้มีส่วนช่วยลดขนาดของมอเตอร์และสวิตช์เกียร์หุ้มฉนวนแก๊ส (GIS) ได้อย่างมาก
“เทคโนโลยีการกระจายตัวของฟิลเลอร์” ของบริษัทฟูจิ อิเล็กทริก คือการออกแบบวัสดุที่ล้ำยุคซึ่งตอบสนองเงื่อนไขที่ขัดแย้งกันสองประการในเวลาเดียวกัน นั่นคือ “การระบายความร้อนออกไปพร้อมกับการกักเก็บไฟฟ้าไว้” เราได้สอบถามพนักงานสามคนเกี่ยวกับที่มาของการพัฒนานี้

“ผงวิเศษ” กุญแจสำคัญในการลดขนาดอุปกรณ์

ลูกค้าบอกเราเพิ่มมากขึ้นว่า “เราต้องการให้อุปกรณ์ไฟฟ้ามีขนาดเล็กลง”

อย่างไรก็ตาม แม้ว่า “วัสดุเรซิน” ที่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายชนิดจะมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม แต่ก็ไม่สามารถนำความร้อนได้ดีนัก หากขนาดของอุปกรณ์ลดลงในขณะที่ใช้วัสดุเรซินแบบเดิม อาจทำให้ผลิตภัณฑ์เสื่อมสภาพและเสียหายได้เนื่องจาก “ความร้อนถูกกักเก็บไว้ในอุปกรณ์” และ “ไฟฟ้าลัดวงจรเนื่องจากไฟฟ้าดูด”

ตั้งแต่ประมาณปี 2021 เป็นต้นมา Fuji Electric ได้มุ่งเน้นไปที่การพัฒนา "เทคโนโลยีการกระจายตัวของสารตัวเติม" ซึ่งเป็นเทคโนโลยีสำหรับการผลิต "วัสดุเรซินที่สามารถควบคุมวิธีการถ่ายเทความร้อนได้อย่างอิสระ"

เรซินถูกผสมกับ “วัสดุผง” ที่เรียกว่า “สารตัวเติม” เพื่อปรับคุณสมบัติ วัสดุที่ใช้ทำ “สารตัวเติม” มีหลายประเภท สิ่งที่ใช้คือผงเซรามิกที่มีขนาดเกรน 1 ถึง 10 ไมครอน

ทำไมต้องเซรามิค?

เมื่อคุณถือเซรามิกและพลาสติกไว้ในมือ เซรามิกจะเย็นกว่า เนื่องจากเซรามิก “นำความร้อนได้ง่าย” และดึงความร้อนออกจากมือของคุณ สามารถปรับวิธีการนำไฟฟ้าและการถ่ายเทความร้อนได้ ขึ้นอยู่กับปริมาณสารตัวเติมเซรามิกที่ผสมลงในเรซิน

ทีมพัฒนาของ Fuji Electric มุ่งมั่นที่จะ "ผสมผสานสิ่งที่ดีที่สุด" ของเรซินและเซรามิกซึ่งมีคุณสมบัติที่ขัดแย้งกัน

“ระดับความเป็นมิตร” ตามที่แสดงด้วยตัวเลข

การผสมสารตัวเติมทำให้สามารถปรับแต่งวัสดุเรซินให้ตรงตามความต้องการของสินค้าต่างๆ ได้

อย่างไรก็ตาม การผสมเรซินและสารตัวเติมมีปัญหา หากเติมสารตัวเติมจำนวนมากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซรามิก ประสิทธิภาพของเรซินก็จะลดลง

กุญแจสำคัญอยู่ที่ “ความเข้ากันได้ระหว่างเรซินและสารตัวเติม”

คำว่า "เซรามิก" หมายถึงสารหลายชนิด รวมถึงสารคล้ายแก้วและออกไซด์ของอะลูมิเนียม นอกจากนี้ ความเข้ากันได้ของสารชนิดเดียวกันกับเรซินยังแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้ผลิตวัสดุ ดังนั้นจึงมีการผสมผสานกันได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด

ตัวอย่างเช่น น้ำและน้ำมันแยกตัวออกจากกัน แต่น้ำและแอลกอฮอล์ผสมกันอย่างสม่ำเสมอ ความสัมพันธ์ระหว่างเรซินและสารตัวเติมก็เช่นเดียวกัน ยิ่งมีความเข้ากันได้ดีเท่าใด สารตัวเติมก็จะกระจายตัวและผสมกันในเรซินได้สม่ำเสมอมากขึ้นเท่านั้น ส่งผลให้สามารถเติมสารตัวเติมลงในเรซินได้มากขึ้น

ส่วนที่น่าสนใจที่สุดคือการหาคำตอบว่าทำไมสิ่งต่างๆ ถึงผิดพลาด

ดร. โฮซากะ ผู้เข้าร่วมบริษัทของเราในปี 2020 ได้รับแนวคิดนี้มาจากคุณแกมเบะ ผู้มากประสบการณ์

HSP เปรียบเสมือนไม้บรรทัดที่ใช้วัดว่าวัสดุที่อยู่ในวงกลมที่วาดไว้นั้น มีลักษณะเป็นช่วงความเป็นมิตร เข้ากันได้ดี ยิ่งช่วงวงกลมกว้างขึ้น จำนวนวัสดุที่เข้ากันได้ก็จะมากขึ้น เขาขยายช่วงวงกลมให้กว้างที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อหาค่าที่ถูกต้องแม่นยำ ซึ่งใช้เป็นเกณฑ์ในการกำหนดขอบเขต

ใช้ได้กับผลิตภัณฑ์ทุกชนิดที่ใช้เรซิน

งานวิจัยนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับผลิตภัณฑ์ทุกชนิดที่ใช้เรซินได้ ที่ฟูจิ อิเล็คทริค เรซินนี้ใช้ในผลิตภัณฑ์อะไรบ้าง?

[การลดขนาดของมอเตอร์]
วัสดุเรซินใช้เป็นกาวในการยึดตัวนำในมอเตอร์
ยิ่งมอเตอร์มีขนาดเล็ก ตัวนำยิ่งอยู่ใกล้กันมากขึ้น และยิ่งกักเก็บความร้อนได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้วัสดุเรซินสัมผัสกับอุณหภูมิสูง และประสิทธิภาพของฉนวนก็ลดลง

เพื่อแก้ปัญหานี้ เราจึงผสมสารตัวเติมลงในเรซินเพื่อเพิ่มความสามารถในการนำความร้อน (เพื่อให้ความร้อนระบายออกได้ง่ายขึ้น) จึงช่วยลดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิภายในมอเตอร์ เราประสบความสำเร็จในการลดขนาดมอเตอร์เรือลง 30%

[การลดขนาดของสวิตช์เกียร์หุ้มฉนวนแก๊ส (GIS)]
ระบบ GIS ติดตั้งอยู่ในสถานีย่อย สถานีส่งไฟฟ้า โครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่ ฯลฯ และทำหน้าที่เป็นสวิตช์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าสูงอย่างปลอดภัย ภายในระบบ GIS มีชิ้นส่วนรูปโดนัทที่ทำจากวัสดุเรซิน เรียกว่า "แผ่นกั้นฉนวน" ซึ่งรองรับตัวนำไฟฟ้าแรงสูง

“ตัวเว้นระยะฉนวน” ซึ่งรองรับตัวนำไฟฟ้ามีรูรูปโดนัท ซึ่งตัวนำไฟฟ้าแรงสูงจะลอดผ่าน ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้สะดวกเฉพาะส่วนกลางเท่านั้น ส่วนที่ไม่รวมส่วนกลางทำจากวัสดุเรซินซึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนสูง เพื่อป้องกันการคายประจุเนื่องจากไฟฟ้ารั่วออกสู่ภายนอก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวัสดุเรซินทั่วไปไม่สามารถป้องกันการรั่วไหลของไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์ จึงไม่สามารถลดขนาดลงได้ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการคายประจุ จึงจำเป็นต้องควบคุมคุณสมบัติของเรซินโดยใช้สารตัวเติม

ดังนั้น สมาชิกในทีมพัฒนาจึงผสมสารตัวเติมอย่างค่อยเป็นค่อยไปเพื่อให้ “บริเวณใกล้ศูนย์กลางของโดนัท จะกักเก็บไฟฟ้าได้ง่ายกว่า และบริเวณด้านนอก จะกักเก็บไฟฟ้าได้ยากกว่า”

ด้วยเทคโนโลยีนี้ ค่าการซึมผ่านของอากาศ (permittivity) จึงถูกปรับให้เรียบขึ้น และสามารถลดการเกิดการคายประจุซึ่งทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้ เราประสบความสำเร็จในการลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ “สเปเซอร์ฉนวน” ลง 30% โดยยังคงประสิทธิภาพเทียบเท่ากับสเปเซอร์แบบเดิม ซึ่งนำไปสู่การประหยัดต้นทุนผ่านการลดวัสดุที่เกี่ยวข้องกับการลดขนาด

การลองผิดลองถูกเพื่อนำมาประยุกต์ใช้กับผลิตภัณฑ์

ตอนนี้เราสามารถค้นหาการผสมผสานวัสดุที่ "เป็นมิตร" ได้ผ่านการจำลอง HSP

อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์นั้นมีความซับซ้อน

วัสดุเรซินที่ใช้ทำมอเตอร์มีความหนืดต่ำเหมือนน้ำ และต้องเทลงในชิ้นส่วนขนาดเล็ก ในทางกลับกัน วัสดุเรซินที่ใช้เป็นฉนวนสเปเซอร์ในระบบ GIS จำเป็นต้องมีความแข็งแรงและความหนืดสูง เช่น น้ำเชื่อมแป้ง

คุณมาซุย ผู้รับผิดชอบกระบวนการผลิต กล่าวว่า “คุณสมบัติของเรซินและระยะเวลาที่ใช้ในการแข็งตัวจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ ส่วนผสมที่ “เข้ากันได้” ไม่ได้ผลดีเสมอไปในกระบวนการผลิต”

เมื่อเราขอให้นักเรียนเขียนข้อความถึงนักเรียน คุณแกมเบะ (ซ้าย) กล่าวว่า “คุณภาพเป็นสิ่งสำคัญทุกครั้งที่ต้องเกี่ยวข้องกับเงิน ผมคิดว่าแค่มี ‘ความรู้สึกเป็นมืออาชีพ’ ก็เพียงพอแล้วที่จะทำงานให้ดี” คุณมาซุย (กลาง) กล่าวว่า “ผมไม่เคยทำงานเกี่ยวกับวัสดุเลยจนกระทั่งได้เข้าร่วมบริษัทนี้ แต่ถ้าคุณ ‘อยากรู้อยากเห็น’ ในสิ่งที่ไม่เคยทำมาก่อน มุมมองของคุณก็จะกว้างขึ้น” ดร. โฮซากะ (ขวา) กล่าวว่า “มัน ‘สนุก’ ที่ได้ค้นหาเหตุผลของสิ่งต่างๆ นี่เป็นงานที่ผมสามารถทำได้ด้วยความรู้สึกสนุก”

ศักยภาพที่เพิ่มขึ้นด้วยเทคโนโลยีการกระจายตัวของฟิลเลอร์

ขณะนี้การประยุกต์ใช้ฟิลเลอร์กับ GIS และมอเตอร์กำลังอยู่ระหว่างดำเนินการ

ในด้าน GIS บริษัท Fuji Electric กำลังลงทุนเพิ่มกำลังการผลิตเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นทั่วโลก
เนื่องจากมีการติดตั้งหน่วย GIS หลายหน่วยในแต่ละโรงงานหรือศูนย์ข้อมูล ความต้องการ GIS ของ Fuji Electric ซึ่งสามารถลดขนาดและประหยัดต้นทุนได้จึงเพิ่มมากขึ้น

ในส่วนของมอเตอร์ ปัจจุบัน Fuji Electric กำลังพัฒนามอเตอร์สำหรับเรือ เนื่องจากมอเตอร์ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงงานต่างๆ และมีการใช้วัสดุเรซินในการผลิตมอเตอร์ทุกประเภท ขอบเขตการใช้งานจึงยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง

คาดว่าเทคโนโลยีนี้จะนำไปใช้ในด้านเซมิคอนดักเตอร์ด้วยเช่นกัน

การประยุกต์ใช้วัสดุเรซิน เช่น ในวัสดุปิดผนึกเซมิคอนดักเตอร์และวัสดุฉนวน กำลังเพิ่มขึ้น เนื่องจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ก่อให้เกิดความร้อน จึงมีความต้องการวัสดุเรซินที่สามารถระบายความร้อนได้มากขึ้น (คุณแกมบ์)

ประสิทธิภาพที่คาดหวังจากวัสดุเรซินที่ผสมกับฟิลเลอร์ไม่มีขีดจำกัด ความชาญฉลาดของทีมวิจัยยังคงดำเนินต่อไป

ที่แนะนำ

หน้าแรก