JP2001509635A - コロイド絶縁冷却流体 - Google Patents

コロイド絶縁冷却流体

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Abstract

(57)【要約】 向上した絶縁特性と向上した冷却特性の両方又は何れか一方を有するコロイド流体。本発明の実施形態は、キャリヤー液と、非金属粒子の分散相とから成り、約５０ガウス未満の飽和磁化を有するコロイド流体を含む。かかる組成を用いると、高電力装置、例えば電力変圧器を含む電磁装置を絶縁すると共に（或いは）冷却することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
発明の分野 本発明は、新規なコロイド流体に関し、より詳細には、電磁装置を絶縁すると
共に（或いは）冷却する新規なコロイド流体及びその使用法に関する。
【０００１】 発明の背景 電磁装置、例えば電力変圧器内の液体絶縁材には、異なる種類の電圧、即ち、
広範な振幅及び周波数をもつＡＣ電圧及びこれよりも大きな振幅のインパルス（
本質的には、短時間のあいだ生じるＤＣ）電圧が印加され易い。一般的に、液体
絶縁材が特定の電圧の電界により加わる応力に耐えることができるかどうかは、
かかる絶縁材の最も重要な性質である。このことにより、特定の液体を所与の電
圧定格の変圧器（又は、高電圧が用いられる任意の他の電磁装置）内で絶縁材と
して使用できるかどうかが決まる。絶縁材の選択は、これが電磁装置の主要要素
の全ての設計を決定する場合があるので重要である。
【０００２】 典型的には、液体絶縁材に応力を加える最も高い電圧は、インパルス（雷撃）
電圧である。液体絶縁材が、インパルス電圧のピーク値まで上昇した電圧により
生じる臨界誘電応力を受けると、絶縁破壊が生じる場合がある。
【０００３】 電気エネルギの送電及び配電効率を最大にするためには、電磁装置内部におい
て高電流密度及び高ＡＣ電圧を用いることが必要である場合が多い。電流が大き
いと発熱量が多くなり、電圧が高いと電磁装置の絶縁部品に加わる電気応力のレ
ベルが高くなる。発熱量の増加により、電磁装置の導電性部品に安全に流すこと
ができる最大電流が制限され、しかも、導電性材料が多量に必要になるため電気
エネルギの送電、配電及び最終使用に関連する費用が高くなる。また、その結果
として、所与の電磁装置の重量及びサイズが全体的に増大する。電気応力が大き
いと、電磁装置内部の単位スペース当たりの電圧降下が制限されることにもなり
、これがもとで、発電場所から最終ユーザーへの送電に関連する費用が増大する
ことになる。さらに、高応力を補償するために、絶縁液、例えば変圧器油で満た
される巻線ターン相互間のスペースを増加することが必要な場合が多く、それに
より変圧器の寸法及び費用が一段と増大する。
【０００４】 電流が熱と電気応力の両方を発生させるので、電気絶縁材は、２つの互いに異
なる機能を恒常的に発揮すること、即ち、（ａ）異なる電圧を有する互いに異な
る導電性部品相互間の電流の流れを阻止すると共に（ｂ）巻線及び磁気コアから
、冷却される電磁装置の外壁に熱を伝達することが重要である。液体絶縁材の誘
電特性は、高電圧電磁装置がその機能を発揮するための最も重要な特性であるた
め、絶縁液の絶縁耐力の点で妥協することはできない。その結果、実際に、従来
の液体絶縁材システムは全て、実質的に高い絶縁耐力、低い導電率、及び高レベ
ルの純度を有するが、この後者の性質は、望ましい絶縁耐力を得る上で必要であ
ると考えられる。しかしながら、従来技術の液体絶縁材システムは、熱伝導率が
低く、このため熱伝導による効率的な熱伝達が行われない。その代わりとして、
電磁装置は一般的にアルキメデスの対流作用を利用するが、高温状態への加熱時
、液体絶縁材、例えば変圧器油の膨張により生じるこのアルキメデスの対流作用
により、高温で（しかも低密度の）油を持ち上げ、低温で（高密度の）油を押し
下げるアルキデス力が生じる。かくして、熱の対流現象が生じ、巻線から電磁装
置の外壁への熱の伝達が可能になる。しかしながら、この種の熱伝達の効率は比
較的低いので、巻線及び磁気コアの内側に専用の径路（ダクト）を設けて油が電
磁装置の発熱している部品の最も内側の部分を通って流れることができるように
しなければならない。アルキメデスの対流作用というかなり効率の悪い仕組みに
よる熱伝達を利用しているため、電磁装置のサイズが増大し、しかも単位体積当
たりの導電性材料又は磁性材料の量を少なくすることにより、かえって費用が増
大することになっている。さらに、たとえ熱伝達を確保するために必要な措置が
講じられていても、巻線・磁気コア組立体内部には、電圧及び電流をさらに制限
する所謂「ホットスポット」が生じる場合がある。
【０００５】 従来技術の液体絶縁材システムは、電磁装置の電力定格を定める電流、電圧及
び環境条件について制限された範囲内で機能を果たしている。これらの限度を拡
張して、安全性及び信頼性を損なわないで大電力、即ち高電圧又は高電流を電磁
装置を介して伝送でき、或いは電力を同一とすれば、これを一層小型且つ安価な
装置を用いて伝送できるようにすることが要望されている。本発明は、この重要
な目的及び他の重要な目的の達成に向けられている。
【０００６】 発明の概要 本発明は、一つにはコロイド流体に関する。具体的に説明すると、一実施形態
では、本発明は、（ａ）約９９．９９体積％〜約９８体積％のキャリヤー液と、
（ｂ）約０．０１体積％〜約２体積％の非金属粒子とから成り、約５０ガウス未
満の飽和磁化を有することを特徴とする安定なコロイド流体に関する。
【０００７】 本発明の別の実施形態は、（ａ）キャリヤー液と、（ｂ）非金属粒子とから成
り、約５０ガウス未満の飽和磁化を有することを特徴とする安定なコロイド流体
に関する。
【０００８】 本発明の更に別の実施形態は、飽和磁化が約５０ガウス未満の安定なコロイド
流体を調製する方法に関する。この方法は、（ａ）キャリヤー液を準備する段階
と、（ｂ）非金属粒子とキャリヤー液を組み合わせる段階とから成る。
【０００９】 本発明の更に別の実施形態は、電磁装置に関する。この電磁装置は、（ａ）電
磁界及び熱を生じさせる手段と、（ｂ）電磁装置と接触状態にある安定なコロイ
ド流体とを有する。コロイド流体は、（ｉ）キャリヤー液と、（ii）非金属粒子
とから成り、コロイド流体は、約５０ガウス未満の飽和磁化を有する。
【００１０】 本発明の更に別の実施形態は、外部磁界及び熱を生じさせる電磁装置を絶縁す
ると共に冷却する方法に関する。この方法は、電磁装置を、（ａ）キャリヤー液
と、（ｂ）非金属粒子とから成り、飽和磁化が０ガウスよりも大きく約５０ガウ
スよりも小さい安定なコロイド絶縁流体と接触させる段階を有する。
【００１１】 本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、詳細な説明及び請求の範囲から明らか
になろう。
【００１２】 本発明の実施形態を説明するために現時点において好ましいと考えられる形態
が図面に示されている。しかしながら、言うまでもなく、本発明は図示の構造及
び作用そのものに限定されることはない。
【００１３】 発明の詳細な説明 本発明は一つには、例えば電磁装置と関連して用いられる新規なコロイド流体
に関する。本明細書で用いる「コロイド」という用語は、単一の大きな分子又は
小さな分子が凝集したものからなる物質の細区分の状態をいう。コロイド中では
、分散相と呼ばれる場合が多い限界顕微鏡サイズの粒子が一般に、キャリヤー液
（液状担体）、分散媒又は外部相と呼ばれることが多い異種物質によって包囲さ
れている。本発明のコロイドに含まれる粒子のサイズは、例えば使用する粒子、
特定の用途等に応じて様々である。一般的に言えば、粒子のサイズ、即ち粒度は
好ましくは、約１〜約１００ナノメートル（nm）の範囲にあり、範囲に関するコ
ンビネーション及びサブコンビネーションの全てが含まれる。かくして、本発明
のコロイドは一般に、「ナノ流体（nanofluid ）」と呼ばれることがある。本発
明の或る実施形態では、コロイド中の粒子は磁性を備えたものであるのがよい。
本明細書で用いる「磁性」という用語は、或る特定の条件下で互いに引き付けた
り、或いは反発する物質の性質をいう。磁性粒子を含むコロイドの例は、「強磁
性流体（ferrofluid）」である。本明細書に記載する強磁性流体は、あたかもか
かる流体自体が磁性を有するかのように印加された磁界に応動できる。本発明の
或る他の好ましい実施形態では、コロイドは、非磁性の粒子を含む。本明細書で
用いる「非磁性」という用語は、実質的に磁性を備えていない状態（磁性を完全
に備えていない状態を含む）をいうものとする。
【００１４】 本発明のコロイドは好ましくは、単位体積（重量）当たりの電磁装置により配
電される電力を制限する上述の３つの基本的な問題の解決に向けられたものであ
る。具体的に説明すると、本発明のコロイドは好ましくは、次の性質のうち１又
は２以上を有することを特徴としており、かかる特徴とは、即ち（a）部分放電 電圧が高いため、短期的ＡＣ変動における制限を増大して使用中の電磁装置の導
電性部品相互間の距離を小さくすることができる、（b）インパルス絶縁破壊強 度が大きいため、帯電部分相互間の間隔を短くすると共に高電圧インパルスサー
ジを受けた場合の信頼性を向上させた変圧器を設計できる、及び（c）磁界の強 さに比例して熱伝達能力が増加するため、磁界が最も強く効率的な熱交換が最も
重要な巻線内部からの熱伝達を効率的に行えることである。
【００１５】 一般的に、本発明の新規なコロイドを調製するには、例えば粒子とキャリヤー
流体を組み合せるのがよい。好ましい方法では、コロイドを調製するには、比較
的高濃度の粒子を有するコロイドと従来型液体絶縁物、例えば従来型変圧器油を
組み合せて本明細書で説明しているようなナノ流体を得る。コロイドを調製する
ための別の方法について以下に一層詳細に説明する。本発明の好ましい実施形態
では、ナノ流体は、誘電特性を備えるのがよい。これら誘電性ナノ流体は実質的
に非磁性であってもよく、或いは磁気活性特性（磁性）を有するものであっても
よい。本発明の誘電性ナノ流体の例示としては、強磁性流体が挙げられる。本明
細書で説明するナノ流体は、例えば特定の用途に応じて所望の性質を得るように
配合できる。例えば、ナノ流体は、主として絶縁耐力を高めるよう調製できる。
粒子の容積濃度を増大させることにより、これに対応して飽和磁化を増大させる
ことができ、その結果ナノ流体の絶縁耐力と伝熱性能の両方が増大することにな
る。コロイドはまた、主として所望の伝熱容量を生じさせるよう配合できる。
【００１６】 ＡＣ及びＤＣ電圧条件における磁気活性液体絶縁耐力及びその冷却能力に対す
る強磁性流体の飽和磁化及びその電気抵抗率（これらは、磁性流体の体積百分率
、これらの平均サイズ及びその度数分布、並びに強磁性流体に関する幾つかの製
造上の詳細で決まる）の影響を、実験室内で且つ商用変圧器について試験した。
部分放電（ＰＤ）開始電圧、伝熱能力及びインパルス絶縁破壊電圧が全て、磁気
活性コロイド液の調製後に測定が容易な２つのパラメータ、即ち、上述すると共
に請求の範囲に記載した用途につき、約０（非磁性コロイドに関して）であり、
或いは約０．５ガウスから約５０ガウスまでの範囲にある飽和磁化（ＭS ）、及
び約１０9 オーム・センチメートルから約１０13オーム・センチメートル以上ま
での範囲にある電気抵抗率（Ｒ）と相関するような仕方で新規なコロイド絶縁流
体を開発した。これら２つのパラメータの実際の数値は、所与の変圧器に必要な
絶縁特性及び冷却能力の特定の組合せで決まる。
【００１７】 かくして、本発明のコロイドは、非常に有利な電気抵抗率を有し、したがって
変圧器を含む電磁装置のための絶縁流体として特に有用である。特に、本発明の
コロイドは、多くの従来型絶縁流体と関連したインパルス破壊電圧の最小（正）
値と比べて、インパルス破壊電圧に関する最小（正）値の相当な増大をもたらす
ことができる。好ましい実施形態では、本発明のコロイドは、少なくとも約１０
％のインパルス破壊電圧の正の値の増大をもたらし、約１０％以上、例えば約１
５％の増大が一層好ましい。更に好ましくは、本発明のコロイドは、約１５％以
上、例えば約２０％のインパルス破壊電圧の正の値の増大をもたらし、２０％以
上、例えば約２５％の増大が更に一層好ましい。更により好ましくは、本発明の
コロイドは、約２５％以上、例えば約３０％のインパルス破壊電圧の正の値の増
大をもたらし、３０％以上、例えば約３５％の増大が更に一層好ましい。更によ
り好ましくは、本発明のコロイドは、約３５％以上、例えば約４０％のインパル
ス破壊電圧の正の値の増大をもたらし、４０％以上、例えば約４５％の増大が更
に一層好ましい。更により好ましくは、本発明のコロイドは、約４５％以上、例
えば約５０％のインパルス破壊電圧の正の値の増大をもたらし、５０％以上の増
大が更に一層好ましい。
【００１８】 上述の望ましい絶縁特性に加えて、本発明の実施形態は、非常に有利な伝熱特
性をもつコロイドを提供する。したがって、本発明のコロイドは、例えば高温で
動作する高出力変圧器を含む電磁装置を冷却するための冷却流体として利用する
ことも可能である。当業者には知られているように、高出力変圧器は代表的には
、約７０℃〜約９０℃の温度で動作し、代表的な最大動作温度は約１１０℃であ
り、いわゆるホットスポットでは最高約１３０℃の温度になる。本発明のコロイ
ド絶縁流体を冷却流体として利用した場合に観察される温度の上昇は、大抵の従
来型絶縁及び／又は冷却流体で観察される温度上昇よりは実質的に小さい。好ま
しい実施形態では、本発明のコロイドを用いた場合の温度上昇は好ましくは、少
なくとも約１％だけ減少し、温度上昇における減少分は１％以上、例えば約５％
であるのが好ましい。更により好ましくは、本発明のコロイドを用いた場合の温
度上昇は好ましくは、約５％以上、例えば約１０％だけ減少し、１０％以上、例
えば約１５％の減少分が更に一層好ましい。
【００１９】 理論的根拠は明確ではないが、本発明の実施形態で達成される望ましい冷却特
性は、その少なくとも一つの要因が磁性を有利に用いていることにあると考えら
れる。この関係で、そして以下に一層詳細に説明するように、本発明のコロイド
の飽和磁化は望ましくは、最高約５０ガウス（好ましくは、約５０ガウス未満、
そして或る特定の好ましい実施形態では、０よりも大きく約５０ガウス以下）で
ある。かくして、例えば磁性粒子を含有するコロイドの場合、電磁装置によって
得ることができる磁界の勾配により、コロイドは、電磁装置内で磁界が最も強い
領域、例えば巻線に向かって引き寄せられる。これにより、この場合には２つの
力、即ち、磁力と重力によって駆動される対流サイクルが促進されるので有利で
ある。しかしながら、例えばパンケーキ巻線を有する設計の変圧器を含む或る特
定の設計の変圧器では、磁力は、アルキメデス成分に垂直であり且つ望ましくな
いことには冷却流体のアルキメデス流を妨げる場合のある主として水平方向の対
流を生じさせる。この水平方向の対流を減少させるには、コロイド流体の飽和磁
化を制限するのがよい。かくして、本発明のコロイドの飽和磁化は望ましくは、
コイル・コア組立体内部の有利な半径方向又は角度のついた対流を生じさせ、そ
れにより例えば望ましくないホットスポットの生成を防止することにより冷却効
果を改善するよう選択される。これと同時に、磁界が急激に減少するコイル・コ
ア組立体の外部の領域では、アルキメデス対流が顕著に生じ、それにより法線方
向（即ち、垂直方向）の液体循環の描く軌道を維持する。
【００２０】 本発明のコロイドは好ましくは非常に安定性がある。本明細書で用いる「安定
性」という用語は、本発明のコロイドが、電磁装置、例えば電力変圧器の作動と
関連した高い温度を含む種々の温度条件にさらされた場合における例えば分散相
及び／又はキャリヤー相の化学崩壊並びに分散相及びキャリヤー相の相分離を含
む分解に対して好ましくは長期間にわたって実質的又は完全に耐性があることを
意味する。かくして、本発明のコロイドは、例えば予想寿命が極めて長い電力変
圧器を含む電磁装置のための絶縁流体として用いるのに特に適している。好まし
い形態では、本発明のコロイドは好ましくは、少なくとも約１０9 オーム・セン
チメートルの電気抵抗率を有し、約１０9 オーム・センチメートル以上の電気抵
抗率が一層好ましい。更により好ましくは、本発明のコロイドは、約１０9 オー
ム・センチメートル以上〜約１０13オーム・センチメートル以上の電気抵抗率を
有する。上述したように、本発明のコロイドは又、非常に有利な伝熱特性を備え
ている。したがって、本明細書で記載するコロイドは有利には、高い出力レベル
で動作し、著しく高い動作温度を生じる場合のある電磁装置、例えば電力変圧器
を含む電磁装置の冷却剤として使用できる。
【００２１】 本発明のコロイド中に、例えば分散及び／又はキャリヤー相として多種多様な
材料を用いることができる。利用される特定の材料は、種々のものであってよく
、例えば所望の磁化レベル、冷却特性、電気抵抗率等、並びに所望の用途で決ま
る。好ましい形態では、分散及びキャリヤー相は、本発明のコロイドが約５０ガ
ウスよりも多くなく、好ましくは、約５０ガウス未満（これは、例えば約０〜約
５０ガウス未満を含み、範囲に関するコンビネーション及びサブコンビネーショ
ンの全てが含まれる）の飽和磁化（ＭS ）を有するよう選択される。非磁性粒子
から調製されたコロイドの場合、コロイドは、約０の飽和磁化をもつのがよい。
磁性を有する粒子から調製されたコロイドの場合、０ガウスよりも大きく約５０
ガウスよりも少ない飽和磁化を有するのがよい。特に有利な冷却効果は、約０．
５ガウス〜約５０ガウス未満の飽和磁化を有するコロイドを用いた場合に得られ
ることが観察され、最適冷却効果は、約２０ガウス〜約４０ガウスの飽和磁化の
場合に観察された。特に有利な絶縁耐力は、本発明のコロイドが約０．１ガウス
〜約５ガウスの飽和磁化を有する場合に観察され、最適絶縁耐力は、約０．５ガ
ウス〜約２ガウスの飽和磁化で観察された。望ましい冷却特性と誘電特性の両方
を得るために、本発明のコロイドは好ましくは、約１ガウス〜約２０ガウスの飽
和磁化を有し、約５ガウス〜約２０ガウスが特性を両立させる上で最適である。
【００２２】 本発明の好ましい実施形態によれば、キャリヤー相は好ましくは、それ自体安
定性があり、且つ分散相について望ましく且つ安定した環境を提供する液体であ
る。また、キャリヤー相は低い誘電率、好ましくは約３以下の誘電率をもつこと
が好ましい。また、キャリヤー液は、上述したように本発明のコロイドの電気抵
抗率を高めることができる高レベルの電気抵抗率を有することが好ましい。キャ
リヤー相の粘度は、所望に応じて、本発明のコロイドの所望の安定性並びに本明
細書で説明しているような有利な対流による冷却作用をもたらすよう選択される
のがよい。
【００２３】 好ましい実施形態では、本発明のコロイドに用いられるキャリヤー相は油であ
る。例示の油としては、例えば、高出力変圧器内で冷却流体として現在用いられ
ている油のうち大抵のものが挙げられる。かくして例示の油としては、例えば、
種々の形態の石油が挙げられ、かかる種々の形態の石油としては、高分子合成炭
化水素及びシリコーン油がある。本発明のコロイド中にキャリヤー相として用い
られるのに特に適した油は、エクソン・コーポレイション（ミネソタ州セントポ
ール所在）からＵＮＩＶＯＬＴ（登録商標）という商品名で市販されている変圧
器等級の鉱油である。本明細書に記載しているコロイド中のキャリヤー相として
用いられるのに適した他の材料は、本明細書の開示内容に鑑みて当業者には自明
であろう。
【００２４】 上述したように、更に好ましくは、本発明のコロイド流体は、好ましくは粒子
の形態の分散相を有する。上述したキャリヤー相の場合と同様、本明細書に記載
しているコロイド中に分散相として多種多様な材料を用いることができる。好ま
しい実施形態では、分散相は、非金属材料から得られる。具体的に説明すると、
ＡＣ絶縁耐力の向上は、分散相が非金属材料から成る場合に得られることが分か
った。本明細書で用いる「非金属」という用語は、金属的性質及び／又は特性が
実質的に無く、或いは完全に無い材料をいうものとする。分散相として用いるこ
とができる非金属材料の例としては、例えば有機材料（例えば、ポリマー（高分
子）材料）、無機材料（例えば、エーロシル（aerosil)）及び或る特定の元素、
例えば元素としての炭素が挙げられる。これら例示の非金属材料のうちで好まし
いものは無機材料であり、無機材料のうちで特に好ましいものは金属酸化物であ
る。
【００２５】 本発明の或る特定の好ましい実施形態によれば、分散相は、磁性のある材料（
即ち、固有の磁気双極子モーメントを有する材料から得られ、磁性と非金属の両
方の条件を満足する材料が好ましい。この理由は、分散相が非金属であり且つ磁
性である場合に、ＡＣ絶縁耐力の向上と有利な冷却特性の両方が得られることが
判明したからである。また、分散相はキューリー温度が約２００℃以上の材料か
ら成ることが好ましい。特に好ましい実施形態では、分散相は、磁性無機材料か
ら成り、磁性金属酸化物がより一層好ましい。これら金属酸化物のうち好ましい
ものは、例えば鉄の酸化物（例えばＦｅＯ、Ｆｅ2 Ｏ3 及びＦｅ3 Ｏ4 ）、亜鉛
（例えばＺｎＯ）、コバルト（例えばＣｏＯ）、マンガン（例えばＭｎＯ、Ｍｎ 3 Ｏ4 及びＭｎ2 Ｏ3 ）、チタン（例えばＴｉＯ2 、Ｔｉ2 Ｏ3 ）、銅（例えば
、Ｃｕ2 Ｏ）、ニッケル（例えば、ＮｉＯ及びＮｉ2 Ｏ3 ）及びクロム（例えば
、Ｃｒ2 Ｏ3 ）である。また、混合状態の金属酸化物が好ましく、かかる金属酸
化物としては、例えば鉄及びコバルトの酸化物（例えば、Ｆｅ2 ＣｏＯ4 ）、鉄
、マンガン及び亜鉛の酸化物（例えば、Ｍｎx Ｚｎ(1-x) Ｆｅ2 Ｏ4、ここでｘ は約０．４〜約０．８の範囲にあるのがよい）、鉄及びコバルト及び亜鉛の酸化
物（例えば、Ｃｏx Ｚｎ(1-x) Ｆｅ2 Ｏ4 、ここでｘは約０．２〜約０．６の範
囲にあるのがよい））が挙げられる。金属酸化物のうちで特に好ましいものは鉄
の酸化物である。また、好ましい形態では、用いられる酸化物は、実質的に温度
にも依存する適度に高い磁化レベルを有する。この観点から判断して、Ｍｎx Ｚ
ｎ(1-x) の酸化物及び鉄の酸化物が最も好ましく、ここでＭｎx Ｚｎ(1-x) の酸
化物は、最も過酷な条件（例えば、主変圧器）で用いられるのに特に適し、鉄の
酸化物は従来型配電及び電力変圧器に用いられるのに特に適している。
【００２６】 本発明の他の或る特定の好ましい実施形態では、分散相は、非磁性の材料から
得ることができる。好ましい非磁性材料としては、例えば有機材料、例えばポリ
マー（高分子）材料及び非有機エーロシルが挙げられる。ポリマー材料のうちで
好ましいものは、弗素化ポリマーであり、かかる弗化ポリマーとしては例えばデ
ュポン・ケミカル・カンパニイ（デラウエア州ウィルミントン所在）からＴＥＦ
ＬＯＮ（登録商標）として市販されているポリ（テトラフルオロエチレン）が挙
げられる。
【００２７】 本明細書に記載しているコロイド中の分散相として使用するのに適した他の材
料は、本明細書の開示内容に鑑みて当業者には自明であろう。
【００２８】 本明細書のコロイド中に分散相として利用できる材料は好ましくは、粒子の形
態である。コロイド中に分散する粒子のサイズは様々であってよく、例えば用い
られる特定の分散及びキャリヤー相並びに所望の用途で決まる。しかしながら、
粒子のサイズは、好ましい粒度範囲のうちから選択されることが好ましい。この
関係で、粒度は、コロイドの冷却特性及び電気抵抗率特性に影響を及ぼす場合の
あることが判明した。例えば、粒子の化学的成分によるが、小さな粒子を用いる
と、その結果として電気抵抗率の性質の低いコロイドが得られることになり、こ
れは使用中望ましくないほど高い誘電損失を生じさせる場合がある。逆に、大き
な粒子を用いると、粒子の化学成分によるが、特に高温において安定性の貧弱な
コロイドが得られることになる。上述したように、好ましい粒度は、約１nm〜約
１００nmの範囲にあり、範囲に関するコンビネーション及びサブコンビネーショ
ンの全てが含まれる。より好ましくは、平均粒度は、約５nm〜最高約２０nmの範
囲にあり、約５nm以上〜約２０nm未満の平均粒度（例えば約１５nmを含む）がよ
り一層好ましい。更により好ましくは、平均粒度は、少なくとも約７nmであり、
粒子のうち約９０％が約７nm以上の粒度を有することが特に好ましい。
【００２９】 本発明のコロイド中の分散相の濃度は、種々のものであってよく、例えば、利
用される特定の分散及びキャリヤー相、コロイドの所望の用途等で決まる。所望
ならば、先ず最初にコロイドを分散相が高い濃度で存在している状態で作っても
よい。次にこれら濃コロイドを例えば希釈して以下により詳細に説明するように
好ましい濃度を達成するのがよい。このようにすると、本発明のコロイドは、有
益な融通性をもたらすことができる。というのは、濃度を特定の用途に応じて所
望通りに端末ユーザーによって得ることができるからである。この関係で、希釈
操作は、例えば意図した用途の現場で、例えば電力変圧器の製造現場及び／又は
利用現場で行うことができることが意図されている。濃縮形態のコロイドの当初
の調製は、所望現場に輸送されることが必要なコロイドを減容させるのに役立つ
場合がある。これにより、例えば現場へのコロイドの輸送の必要性及び／又は頻
度を減少させることによりコロイドの輸送が容易になり、これにより著しい費用
の削減が得られる。
【００３０】 概要を述べると、分散相は本発明のコロイド中に、好ましくは約０体積％以上
、例えば約０．０１体積％から最高約２体積％までの範囲にわたる濃度で含まれ
、範囲に関するコンビネーション及びサブコンビネーションの全てが含まれる。
非磁性粒子で構成された分散相から調製されるコロイドと関連して述べると、分
散相の濃度は好ましくは、約０．０１体積％〜約０．５体積％であり、約０．０
５体積％〜約０．３体積％の濃度がより好ましい。磁性粒子で構成された分散相
から調製されるコロイドと関連して述べると、分散相の濃度は、好ましくは約０
．０１体積％〜２体積％未満であり、約０．０２体積％〜約１体積％の濃度がよ
り好ましい。
【００３１】 当業者には明らかなように、本発明の開示内容に鑑みれば、本明細書で記載し
ているコロイドで用いられるキャリヤー相の量は、様々であってよく、例えば上
述したような用いられる分散相の濃度で決まる。かくして、一般的に述べると、
キャリヤー液の量は、好ましくは約９９．９９体積％〜約９８体積％未満の範囲
にあり、範囲に関するコンビネーション及びサブコンビネーションの全てが含ま
れる。非磁性粒子で構成された分散相から調製されるコロイドと関連して述べる
と、キャリヤー液は、好ましくは約９９．９９体積％〜約９９．５体積％の量存
在し、約９９．９５％体積％〜約９９．７体積％の濃度がより好ましい。磁性粒
子で構成された分散相から調製されるコロイドと関連して述べると、キャリヤー
液は、好ましくは約９９．９９体積％〜約９９．８体積％の量存在し、約９９．
９８％体積％〜約９９体積％の濃度がより好ましい。
【００３２】 上述の分散相及びキャリヤー相に加えて、本発明のコロイドは更に、追加の添
加物質を有するのがよいが、これは任意である。かかる添加物質としては、例え
ば、安定化材料、例えば界面活性剤、分散剤、増粘剤、粘度調整剤、酸化防止剤
等が挙げられる。かかる物質を用いると、例えば相の分離、分散相の凝集等を最
小限に抑え又は実質的に（完全を含む）防止することによりコロイドの安定性を
高めることができる。好ましい実施形態では、任意的に用いられる添加剤は、界
面活性剤から成る。好ましくは、界面活性剤は、コロイド中の粒子に接触し又は
これを実質的に覆う。非磁性の粒子の場合、粒子は、シラン化（silanize）され
る。
【００３３】 多種多様な表面活性剤を本発明のコロイド中に用いることができる。表面活性
剤は、例えば用いる特定の分散及びキャリヤー相並びに所望の用途に応じて陰イ
オン、陽イオン又は非イオン（ノニオン）であってよい。例示の陰イオン表面活
性剤としては例えば、第４アンモニウム基を含む長鎖（脂肪）化合物が挙げられ
る。例示の非イオン活性剤としては、例えば、アルコール及びポリオキシアルキ
レンポリマーが挙げられる。上述の例に加えて、他の界面活性剤及び本発明のコ
ロイドに用いられるのに適した他の任意的に用いられる添加物質は、本明細書の
開示内容に鑑みて当業者には自明であろう。
【００３４】 本発明のコロイド中に任意的に用いることができる添加物質の濃度は種々のも
のであってよく、例えば用いられる特定の添加物質、分散相及び／又はキャリヤ
ー相で決まる。好ましくは、追加の添加物質を、コロイドの所望の特性、例えば
安定性、冷却性、酸化防止性及び／又は絶縁性を高める濃度で用いるのがよい。
好ましい実施形態では、任意的に用いられる添加物質を、約０．０２体積％〜約
１体積％の濃度で用いるのがよく、範囲に関するコンビネーション及びサブコン
ビネーションの全てが含まれる。
【００３５】 本発明のコロイドは、本発明の開示内容に照らして当業者には明らかな技術を
用いて調製できる。例えば、粒子のコロイド分散系を、種々の方法を利用するこ
とにより、例えば粗い粒子を粉砕することにより、或いは例えば液体キャリヤー
の存在下でボールミル磨砕をすることによって調製できる。所望ならば、粉砕工
程から得られた粒子をキャリヤーから除き、そして第２のキャリヤー中に再分散
させてもよい。粒子の除去法としては、例えばフロキュレーションが挙げられる
。本発明のコロイドを調製するのに用いることができる強磁性流体を含むコロイ
ドを調製する方法は、例えばパッペル氏の米国特許第３，２１５，５７２号、ロ
ーゼンズウィーグ氏の米国特許第３，９１７，５３８号、及びB. Berkovsky氏及
びV.Bashtovoy 氏編「Magnetic Fluids and Applications Handbook 」Begal Pu
blishing House（ニューヨーク州ニューヨーク所在、１９９６年発行）に記載さ
れており、これら文献の開示内容全体を本明細書の一部を形成するものとしてこ
こに引用する。
【００３６】 実験例 本発明を以下の実験例を用いて更に説明する。以下の実験例は、例示の目的で
実際に行った実験例であるに過ぎず、請求の範囲に記載された本発明の範囲を限
定するものと解釈してはならない。
【００３７】 実験例１ この実験例は、安定性、絶縁耐力及び散逸率に対する変圧器油中の粒子の種々
の濃度の影響を評価するために行われた実験の説明を含む。これら説明の結果が
、以下の表１に一覧表で示されている。これら実験で検討された組成は、エクソ
ン・コーポレイション（ミネソタ州セントポール所在）から市販されている変圧
器等級の鉱油であるＵＮＩＶＯＬＴ（登録商標）６０油、磁性粒子としての酸化
鉄（Ｆｅ3 Ｏ4 ）粒子、非磁性粒子としてのＴＥＦＬＯＮ（登録商標）粒子及び
表面活性剤としてのオレイン酸から配合したものである。この実験例で用いられ
た試験方法をＡＳＰＭ規格に従って行った。インパルス破壊電圧をＡＳＴＭ・Ｄ
−３３００に従って評価した。
【００３８】
【表１】
【００３９】 表１のデータの考察により分かることとして、約２体積％以下の分散相濃度及 び約５０ガウス未満の飽和磁化（ＭS ）を有する本発明の範囲（例えば、実験例
１Ｅ、１Ｇ〜１Ｍに例示されている）に属するコロイドは、約２体積％以上の分
散相濃度及び約５０ガウス以上のＭS を有する従来技術のコロイド流体（実験例
１Ｂ〜１Ｄ及び１Ｆ参照）及び純粋油（実験例１Ａ参照）と比較して絶縁耐力が
著しく向上している。具体的に述べると、本発明の範囲に属するコロイドは、従
来技術のコロイドと比較してインパルス絶縁耐力に関して増大した正の値を有し
ている。またデータから分かることとして、本発明の範囲に属するコロイドは、
周囲温度（２５℃）と高温（１００℃）の両方において散逸率が向上している。
【００４０】 実験例２ この実験例は、本発明の範囲に属するコロイド流体の冷却性能を評価し、これ
を従来技術のコロイド流体の冷却性能に対して比較するために行われた実験の説
明を含む。
【００４１】 磁鉄鉱（ＦｅＯ・Ｆｅ2 Ｏ3 ）のコロイドを油で種々のレベルに希釈すること
により飽和磁化の値が１ガウス、５ガウス、１０ガウス、３０ガウス、５０ガウ
ス及び２００ガウスのコロイド流体を調製した。これらコロイド流体を、約７０
℃の温度で動作する５０ＫＶＡ変圧器用の絶縁流体として利用した。油しか含ま
ない冷却流体（実験例２Ａ）を対照例として用いた。温度の読みを、変圧器巻線
及び冷却フィンの周りの互いに異なる位置（頂部、中間部、底部）で得た。その
結果得られたデータが以下に一覧表で示されている。
【００４２】
【表２】
【００４３】 表２のデータの考察により分かることとして、実験例２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ及び２ Ｇにより例示されていて、約５０ガウス未満の飽和磁化を有する本発明の範囲に
属するコロイドは、約５０ガウス以上の飽和磁化を有する実験例２Ｂ及び２Ｃ並
びに純粋油である実験例２Ａによって例示されている従来技術の冷却流体により
得られる冷却作用と比較して、変圧器の周りの種々の位置における冷却作用が向
上している。特に、本発明の冷却流体に関する変圧器巻線の頂部と底部との間の
温度勾配は、これと対応関係にある従来技術の冷却流体で生じる温度勾配と比べ
てそれほど目立たない。これは、本発明の冷却流体が、変圧器全体の周りにおけ
る循環の度合いが増大したことを示している。
【００４４】 本発明のコロイド流体で変圧器を冷却する方法が図１に概略的に示されている
。図１を参照すると、変圧器１０の略図が示されており、かかる略図では、変圧
器１０内、特に左側の巻線１４及び右側の巻線１６の周りにおけるコロイド流体
１２の流れが示されている。コロイド流体１２の流れの典型例は、加熱された冷
却流体１２に作用する上向きのアルキメデス力を指示するベクトルＦA 及びコロ
イド流体１２のうち冷却された部分に作用するアルキメデス力の下向きの成分を
表わすベクトルＦC である。ベクトルＦA は、本発明のコロイド流体と本発明の
コロイド流体中にキャリヤー油として用いることができる従来技術の従来型油と
では実質的に同一である。ベクトルＦM は、コロイド流体１２と巻線１６によっ
て作られる磁界との磁気的相互作用に起因して生じる力である。
【００４５】 デカルト座標軸１８は、巻線１６を横切る方向の磁界の強さを示している。Ｂ
0 は、巻線相互間の磁気誘導であり、Ｂは、磁気コア内部の磁気誘導である。こ
の磁界の勾配の結果として、巻線１６相互間に圧力降下が生じ、その結果、電磁
流体力学的な対流が生じることになる。
【００４６】 実験例３ 本発明の範囲に属するコロイド冷却流体の電気抵抗率及び絶縁耐力に対する粒
度の影響を評価するために実験を行った。これら実験の結果が以下の表３に一覧
表で示されている。
【００４７】
【表３】
【００４８】 表３に記載されたデータの考察により分かることとして、平均粒度を約７nm未 満から約１０nm以上に大きくすると、その結果として、電気抵抗率が約１０倍に
なり、誘電損失の導電性部品と関連した電力損の減少度が約１０倍になる。
【００４９】 本明細書において取り上げ又は説明した各特許、特許出願及び刊行物の開示内
容全体を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。
【００５０】 本明細書に記載した設計変更に加えて、本発明に関する種々の設計変更は、上
記説明から当業者には明らかであろう。また、かかる設計変更例は、請求の範囲
に記載された本発明の範囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の変圧器を冷却するシステムを有する変圧器の略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (41)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）約９９．９９体積％〜約９８体積％のキャリヤー液と
    、（ｂ）約０．０１体積％〜約２体積％の非金属粒子とから成る安定なコロイド
    流体であって、コロイド流体は、約５０ガウス未満の飽和磁化を有することを特
    徴とするコロイド流体。
  2. 【請求項２】 前記粒子は、磁性粒子であることを特徴とする請求項１記載
    のコロイド流体。
  3. 【請求項３】 約０．０１体積％〜２体積％未満の前記粒子を含むことを特
    徴とする請求項２記載のコロイド流体。
  4. 【請求項４】 約０．０２体積％〜約１体積％の前記粒子を含むことを特徴
    とする請求項３記載のコロイド流体。
  5. 【請求項５】 前記粒子は、非磁性粒子であることを特徴とする請求項１記
    載のコロイド流体。
  6. 【請求項６】 約０．０１体積％〜約０．５体積％未満の前記粒子を含むこ
    とを特徴とする請求項５記載のコロイド流体。
  7. 【請求項７】 約０．０５体積％〜約０．３体積％未満の前記粒子を含むこ
    とを特徴とする請求項６記載のコロイド流体。
  8. 【請求項８】 少なくとも約１０9 オーム・センチメートルの電気抵抗率を
    有することを特徴とする請求項１記載のコロイド流体。
  9. 【請求項９】 約１０9 オーム・センチメートル〜約１０13オーム・センチ
    メートル以上の電気抵抗率を有することを特徴とする請求項８記載のコロイド流
    体。
  10. 【請求項１０】 前記キャリヤー液は、油であることを特徴とする請求項１
    記載のコロイド流体。
  11. 【請求項１１】 前記粒子は、無機粒子、有機粒子及び炭素粒子から成る群
    から選択されることを特徴とする請求項１記載のコロイド流体。
  12. 【請求項１２】 前記粒子は、無機粒子であることを特徴とする請求項１１
    記載のコロイド流体。
  13. 【請求項１３】 前記粒子は、金属酸化物から成る群から選択されることを
    特徴とする請求項１２記載のコロイド流体。
  14. 【請求項１４】 前記粒子は、鉄、亜鉛、マンガン、チタン、銅、ニッケル
    、クロム、及びこれらの組合せから成る群から選択された金属の酸化物であるこ
    とを特徴とする請求項１３記載のコロイド流体。
  15. 【請求項１５】 前記粒子は、有機粒子であることを特徴とする請求項１１
    記載のコロイド流体。
  16. 【請求項１６】 前記粒子は、ポリマー粒子であることを特徴とする請求項
    １５記載のコロイド流体。
  17. 【請求項１７】 前記ポリマーは、弗化ポリマーであることを特徴とする請
    求項１６記載のコロイド流体。
  18. 【請求項１８】 前記ポリマーは、ポリ（テトラフルオロエチレン）である
    ことを特徴とする請求項１７記載のコロイド流体。
  19. 【請求項１９】 前記粒子は、炭素粒子であることを特徴とする請求項１１
    記載のコロイド流体。
  20. 【請求項２０】 安定化材料を更に含むことを特徴とする請求項１記載のコ
    ロイド流体。
  21. 【請求項２１】 前記安定化材料は、界面活性剤であることを特徴とする請
    求項２０記載のコロイド流体。
  22. 【請求項２２】 （ａ）キャリヤー液と、（ｂ）非金属粒子とから成り、約
    ５０ガウス未満の飽和磁化を有することを特徴とする安定な絶縁性コロイド流体
    。
  23. 【請求項２３】 約０ガウス〜約５０ガウス未満の飽和磁化を有することを
    特徴とする請求項２２記載のコロイド流体。
  24. 【請求項２４】 ０ガウスよりも大きく、約５０ガウスよりも小さい飽和磁
    化を有することを特徴とする請求項２３記載のコロイド流体。
  25. 【請求項２５】 約０．５ガウス〜約５０ガウス未満の飽和磁化を有するこ
    とを特徴とする請求項２４記載のコロイド流体。
  26. 【請求項２６】 約２０ガウス〜約４０ガウスの飽和磁化を有することを特
    徴とする請求項２５記載のコロイド流体。
  27. 【請求項２７】 約０．１ガウス〜約５ガウスの飽和磁化を有することを特
    徴とする請求項２４記載のコロイド流体。
  28. 【請求項２８】 約０．５ガウス〜約２ガウスの飽和磁化を有することを特
    徴とする請求項２７記載のコロイド流体。
  29. 【請求項２９】 約１ガウス〜約２０ガウスの飽和磁化を有することを特徴
    とする請求項２４記載のコロイド流体。
  30. 【請求項３０】 約５ガウス〜約２０ガウスの飽和磁化を有することを特徴
    とする請求項２９記載のコロイド流体。
  31. 【請求項３１】 前記粒子の粒度は、約１nm〜約１００nmの範囲にあること
    を特徴とする請求項２２記載のコロイド流体。
  32. 【請求項３２】 前記粒子は、約５nm〜約２０nmの平均粒度を有しているこ
    とを特徴とする請求項３１記載のコロイド流体。
  33. 【請求項３３】 前記粒子は、約７nm〜約２０nmの平均粒度を有しているこ
    とを特徴とする請求項３２記載のコロイド流体。
  34. 【請求項３４】 インパルス破壊電圧の正の値を少なくとも約１０％増大さ
    せることを特徴とする請求項２２記載のコロイド流体。
  35. 【請求項３５】 飽和磁化が約５０ガウス未満の安定なコロイド流体を調製
    する方法であって、 （ａ）キャリヤー液を準備する段階と、 （ｂ）非金属粒子と前記キャリヤー液を組み合わせる段階とから成ることを特徴
    とする方法。
  36. 【請求項３６】 前記キャリヤー液は、油であることを特徴とする請求項３
    ５記載の方法。
  37. 【請求項３７】 前記粒子は、無機粒子、有機粒子及び炭素粒子から成る群
    から選択されることを特徴とする請求項３５記載の方法。
  38. 【請求項３８】 前記コロイド流体は、約１０9 オーム・センチメートル以
    上の電気抵抗率を有することを特徴とする請求項３５記載の方法。
  39. 【請求項３９】 電磁装置であって、 （ａ）電磁界及び熱を生じさせる手段と、 （ｂ）前記電磁装置と接触状態にある安定なコロイド絶縁流体とを有し、 該コロイド絶縁流体は、（ｉ）キャリヤー液と、（ii）非金属粒子とから成り、
    コロイド絶縁流体は、約５０ガウス未満の飽和磁化を有することを特徴とする電
    磁装置。
  40. 【請求項４０】 前記電磁装置は、電力変圧器であることを特徴とする請求
    項４０記載の電磁装置。
  41. 【請求項４１】 外部磁界及び熱を生じさせる電磁装置を絶縁すると共に冷
    却する方法であって、前記電磁装置を、（ａ）キャリヤー液と、（ｂ）非金属粒
    子とから成り、飽和磁化が０ガウスよりも大きく約５０ガウスよりも小さい安定
    なコロイド絶縁流体と接触させることを特徴とする方法
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