JP5723004B2 - 導体の表面に電気絶縁材料層を塗布するための方法 - Google Patents

Description

本発明は導体表面に関し、更に詳しくは、導体の表面に電気絶縁材料層を塗布するための方法に関する。

導体表面上で電気絶縁材料を使用することは、特に、発電機における隣接する複数の巻線等の隣接する複数の導体表面間について、周知である。しかしながら、導体表面に電気絶縁材料を塗布するプロセスは、変化することがある。

導体表面に電気絶縁材料を塗布するための新しく有用なプロセスを開発することは有利となるはずである。

導体の表面、特に、発電機用の巻線に電気絶縁材料層を塗布するための方法を提供する。
本発明に係る方法の一態様は、巻線の表面を準備するステップと、該巻線の表面に、雲母又は窒化ホウ素（ＢＮ）からなる非金属粒子をコールドスプレーにより付着させて電気絶縁材料層を形成するステップと、を含み、前記非金属粒子をコールドスプレーするステップにおいて、前記非金属粒子に応じて決められる温度しきい値内に温度制御した加圧ガスに、前記非金属粒子を混ぜるステップと、該非金属粒子を混ぜた加圧ガスを、前記非金属粒子に応じて決められる速度しきい値内に速度制御して前記巻線の表面に向けスプレーし、前記巻線の表面に前記非金属粒子を付着させるステップと、を実行する。
前記温度しきい値及び前記速度しきい値は、前記非金属粒子の粒子体積及び粒径に基づいて決定される。また、この方法は、前記巻線の別の表面を準備するステップと、該巻線の別の表面に、非金属粒子を前記コールドスプレーにより付着させて、異なる特性の電気絶縁材料層を形成するステップと、をさらに含むようにもできる。
本発明に係る方法の別の態様は、巻線の表面を準備するステップと、該巻線の表面に、ガラス繊維とエポキシ樹脂との混合物をコールドスプレーにより付着させるステップと、該付着させた混合物を加熱して前記エポキシ樹脂成分を硬化させ、電気絶縁材料層を形成するステップと、を含み、前記混合物をコールドスプレーするステップにおいて、前記混合物に応じて決められる温度しきい値内に温度制御した加圧ガスに、前記混合物を混ぜるステップと、該混合物を混ぜた加圧ガスを、前記混合物に応じて決められる速度しきい値内に速度制御して前記巻線の表面に向けスプレーし、前記巻線の表面に前記混合物を付着させるステップと、を実行する。

図面を参照して、以下に、本発明を説明する。
本発明による、導体の表面に電気絶縁材料層を塗布するためのコールドスプレーシステムの例示的な一態様の概略図を示す。 図１に示す導体の表面に塗布される電気絶縁層の例示的な態様の概略図を示す。 図１に示す導体の表面に塗布される代替の電気絶縁層の例示的な態様の概略図を示す。 図１に示すシステムのスプレー速度対スプレー温度のプロット並びにスプレー速度及びスプレー温度それぞれに適格な使用材料を示す。 本発明による、非金属基板の表面に材料層を塗布するためのシステムの例示的な一態様の概略図を示す。 図５に示す非金属基板の表面に塗布される材料層の例示的な態様の概略図を示す。 図５に示す非金属基板の表面に塗布される電導性又は半電導性材料の層の例示的な態様の概略図を示す。 図５に示すシステムのスプレー速度対スプレー温度のプロット並びにスプレー速度及びスプレー温度それぞれに適格な使用材料を示す。

ここで、本発明と合致する態様について詳細に言及するが、その例が添付図面に記載されている。可能な限り、全図面を通して使用する同じ参照番号は、同じ又は類似の部品を指す。本発明の諸態様では、「コールドスプレーする」又は「コールドスプレー」のプロセスについて検討する。このプロセスは、ターゲット表面の方向への、選択的速度及び／又は選択的温度における粒子の加速又は推進を含む。従来のシステムでは、コーティング材料の粒子が、例えば、比較的硬くて損傷を受けることなく高速及び高温の加速粒子に耐えることができるターゲット金属表面へ向けて、比較的高速で比較的高温で加速される。本発明の諸態様によれば、複数の非金属粒子を、金属基板又は（速度しきい値及び温度しきい値を下回る選択的速度及び選択的温度において、比較的軟らかい、低温特性を有する）非金属基板に向かって、加速させる。これらの基板は、室温において表面が比較的軟らかいことを特徴とし、例えば可鍛性なので、粒子衝突は一般的に非弾性で、従って、粒子が、表面で逸れずに、表面に付着することが可能となる。非金属粒子が、速度しきい値及び温度しきい値を超える速度でターゲット表面にコールドスプレーされた場合には、非金属粒子は、ターゲット基板表面に付着せず、ターゲット基板表面に損傷を与え又はターゲット基板表面を貫通することがある。例えば、図１に示す本発明の態様により、導体又は金属基板の表面に向けて非金属粒子を加速して導体の表面上に電気絶縁層を形成する際に使用するコールドスプレープロセスが、記述されている。別の例においては、図５に示す本発明の態様により、非金属基板の表面に向けて非金属粒子を加速して基板の性能特性を向上させる際に使用するコールドスプレープロセスが記述されている。上述のように、本発明の諸態様において使用する金属基板及び非金属基板は、比較的軟らかい低温特性（即ち、粒子衝突が非弾性となるように、室温で比較的軟らかい表面）を有する。例示的な一態様においては、以下に説明するように、温度しきい値及び速度しきい値を下回る温度及び速度において、基板に非金属粒子をスプレーすることによって、様々な種類の非金属粒子を使用することができ、非金属粒子は、非弾性衝突により、基板に付着する。しかしながら、本発明の諸態様において説明するコールドスプレープロセスは、温度しきい値及び速度しきい値のそれぞれを下回る温度及び速度パラメータに限定されない。

図１は、金属基板又は導体１６の表面１４に電気絶縁材料層１２を塗布するためのシステム１０の例示的な一態様を示す。本発明の諸態様では、例えば、銅等の任意の金属基板又は導体を利用することができる。更に、本発明の諸態様では導体１６の表面１４に塗布される層１２について説明するが、発電機における巻線のような、隣接する導体のそれぞれの表面に、複数の層を塗布して隣接する導体間に電気的絶縁性を提供することができる。例示的な一態様において、導体１６は、図１に示すように、例えば、発電機回転子巻線において並列配置に積層される平行な矩形導体のような、矩形であってもよい。

システム１０は、高圧ガス供給部２０を備え、この高圧ガス供給部２０は、選択的圧力で、例えば、ヘリウム等の高圧ガスを貯蔵する。システム１０は、更に、ガスヒータ２２を備え、このガスヒータ２２は、高圧ガス供給部２０に接続されていて、高圧ガス供給部２０からの高圧ガスを受け取り、その高圧ガスの温度を選択的に変化させる。例示的な一態様においては、ガスヒータ２２は、ガスを加熱しないか又は比較的少ししかガスを加熱しない。更に、システム１０は、高圧ガス供給部２０に接続されている粉末供給部２４を備え、この粉末供給部２４は、選択的な粒子体積及び／又は粒子径を有する、雲母や窒化ホウ素（ＢＮ）粒子等の、非金属粒子２８を収容する。これまでは、（例えば、粒径が５〜１０ミクロンの範囲に及ぶ）雲母及びＢＮ粒子は、絶縁用途では適用されていなかった。本発明の諸態様によれば、今や、向上した絶縁特性が望まれる場合に、適切な堆積プロセス、例えば、コールドスプレープロセス、により、これらの材料を好都合に塗布して、金属表面又は絶縁表面上に層を形成することができる。コールドスプレープロセスにより、様々な形状（例えば、円形及び矩形）の配線を始めとする、不均一な表面及び幾多の幾何学的形状に沿って堆積させることができる。

ガス供給部２０、ガスヒータ２２及び粉末供給部２４は、共同して、選択的な体積及び粒径を有する非金属粒子２８を、スプレーノズル３０を有するガン２６に送る。次に、スプレーノズル３０は、選択的スプレー温度３４（図４）において選択的スプレー速度３２（図４）により、導体１６の表面１４の方向に向かって、非金属粒子２８を推進する。雲母粒子等の非金属粒子２８は、例えば、ガスヒータ２２からガン２６へと送られている圧縮ガス及び粉末供給部２４からガン２６へと送られている非金属粒子２８に基づき、選択的スプレー速度３２で選択的スプレー温度３４において、ノズル３０から押し出される。非金属粒子２８は、導体１６の表面１４に向かって加速され、表面１４と衝突すると、変形し、又は基板の中へと埋め込まれ（繊維系材料の場合）、コーティング１２を形成する。本発明の諸態様においてコールドスプレープロセスを使用する１つの利点は、非金属粒子２８が接着剤を必要とせずに表面１４に付着することになるため、表面１４を覆う接着剤が必要ないことである。しかしながら、本発明の例示的な一態様においては、例えば、接着剤を非金属粒子２８と混合してもよく、また、この混合物を一段階で表面１４に向けてコールドスプレーしてもよい。

ガス供給部２０、ガスヒータ２２及び粉末供給部２４には、コントローラ３６が接続され、このコントローラ３６は、導体１６の表面１４に向かって推進されている非金属粒子２８のスプレー速度及びスプレー温度を決定するように、構成されている。本発明の例示的な態様においては、コントローラ３６は、ガスの圧力や温度等の変数を制御することになる。しかしながら、混合中の非金属粒子２８の粒径及び体積は、非金属粒子２８が粉末供給部２４に入る前に決定／選択される。非金属粒子２８の粒径／体積は、必要とされる要件を満たすよう、特定のコーティングプロセスの認定段階中に、決定される。

図４の例示的な態様に示すように、コントローラ３６は、ガス圧力及び／又はスプレー温度３４を監視し、一方、ガンは、導体１６の表面１４に非金属粒子２８を推進し、スプレー速度３２を所定の速度限界内に保持し及び／又は選択的スプレー温度３４を所定の最高温度しきい値３５未満に制限する。コントローラ３６により、スプレー速度３２及び／又はスプレー温度３４がそれぞれの速度しきい値３３及び／又は温度しきい値３５未満に制限されるならば、導体１６の表面１４に向かって推進されている非金属粒子２８及び／又は導体１６自体に、様々な材料を利用することができる。更に、スプレー速度３２及び／又はスプレー温度３４をそれぞれの速度しきい値３３及び／又は温度しきい値３５未満に限定することによって、導体１６の表面１４から滑り落ちることなく及び／又は導体１６の表面１４に損傷を与えることなく、導体１６の表面１４に非金属粒子２８を付着させることができる。コントローラ３６は、ガスの圧力を変化させることにより、スプレー速度３２を変化させる。例示的な態様においては、例えば、雲母粉末、窒化ホウ素、炭化タングステン、炭素粉末、有機高分子、粉末状エポキシ樹脂等のスプレー材料を使用することができるが、これらに限定されない。追加の例示的な態様においては、スプレー温度しきい値３５は、例えば、有機高分子又はエポキシ樹脂をスプレーするためには−４０℃〜＋１２０℃の範囲内でよい。この温度範囲を超える温度で有機高分子又はエポキシ樹脂をスプレーした場合には、導体１６の表面１４が損傷を受け及び／又は焼き付くことになるため、−４０℃〜＋１２０℃の例示的な温度範囲を選択する。図１に示すシステム１０の例示的な態様に基づき、導体１６の表面１４上に様々なコーティング１２をコールドスプレーすることができる。図２は、コーティング１２の例示的な態様を示す。例えば、接着性であり絶縁性である粒子（例えば、雲母）の混合物を、導体１６の表面１４上にコールドスプレーして、導体１６の表面１４に対する電気絶縁層１２を形成することができる。非金属粒子２８の混合物をコールドスプレーするスプレー速度及び／又はスプレー温度は、それぞれの最大速度しきい値３３及び／又は最高温度しきい値３５を超えることがないように、コントローラ３６によって監視することができ、これにより、非金属粒子２８が導体１６の表面１４に付着するようにし、非金属粒子２８が導体１６の表面１４を貫通し及び／又は導体１６の表面１４に損傷を与えることを防止するようにする。コントローラ３６は、非金属粒子２８の所定の粒子体積及び／又は所定の粒径に基づき、（ガス圧力を制御することにより）速度しきい値３３及び／又は温度しきい値３５を制御する。コントローラ３６は、導体１６に対する最小厚さ等の、コーティング１２の１つ又はそれ以上の所望のコーティング特性に基づき、速度しきい値３３及び温度しきい値３５を選択的に決定するように構成される。例示的な一態様においては、コーティング１２の絶縁特性は、コーティング１２の厚さ及びコーティング１２の均一性に依存する。上記態様では雲母粒子について説明しているが、例えば窒化ホウ素（ＢＮ）粒子等の様々な粒子を、導体１６の表面１４上にコールドスプレーすることができる。

図１の本発明の態様では、導体１４の表面１２（即ち、一つの面）にコールドスプレーするためのプロセスが示されているが、導体１４の向きを単純に反転させることによって、導体１４の、裏面４０（図１）を含めた、複数の面上に絶縁材料をコールドスプレーするために、本発明を利用することができる。更に、高圧ガス供給部２０、ガスヒータ２２及び粉末２４を、コントローラ３６を用いて、選択的に調整して、導体１４の前面に塗布されるコーティング１２と比較して導体１４の裏面４０に塗布されるコーティングが異なる特性を有するようにすることができる。例えば、導体１４の別個の面を、様々な電気的若しくは熱的条件に曝し及び／又は隣接する導体から様々な間隔を有するようにし、それにより、それぞれのコーティングを、その配置に適応するように、システム１０を用いて、個々に仕上げることができる。

図３は、図２の態様に示すコーティング１２とは異なる、コーティング１２’の例示的な一態様を示す。図３の例示的態様においては、ガラス繊維とエポキシ樹脂粒子との混合物４２’が、図１のシステム１０を用いて導体１６’の表面１４’上にコールドスプレーされる。ガラス繊維とエポキシ樹脂粒子との混合物は、協働して導体表面１４’に粒子を付着させる。ガラス繊維とエポキシ樹脂粒子との混合物４２’を導体１６’の表面１４’上にコールドスプレーした後、混合物４２’を加熱して昇温して、コーティング１２’内のエポキシ樹脂成分を硬化させる。例示的な一態様においては、そのような加熱は、例えば、誘導加熱、放射加熱、オーブン中の導体通過等の、多数の方法を用いて行なう。

以下で説明する、図５〜図８に示した本発明の態様は、非金属基板の様々な特性を向上させるために、導体の表面ではなく非金属基板を材料のコールドスプレーの対象としたことを除いて、上述した、図１〜図４に示した本発明の態様と類似している。

図５は、図１に示した上述のシステム１０と類似のシステム１１０の例示的な一態様を示す。システム１１０を利用して、非金属基板１１６の表面に、例えば、非金属基板の絶縁特性を向上させるための絶縁材料等の、材料層１１２を塗布して、非金属基板１１６の性能特性を向上させる。システム１１０は、例えば、ヘリウム等の高圧ガスを選択的圧力で貯蔵する高圧ガス供給部１２０を備える。システム１１０は、更に、ガスヒータ１２２を備え、このガスヒータ１２２は、高圧ガス供給部１２０からの高圧ガスを受け取り、高圧ガスの温度を選択的に変化させるように、接続されている。更に、システム１１０は、高圧ガス供給部１２０に接続されている粉末供給部１２４を備え、この粉末供給部１２４は、選択的な粒子体積及び／又は粒径を有する、例えば、雲母、窒化バリウム（ＢＮ）及び／又はバインダ樹脂粒子等の、非金属粒子１２８を収容する。ガス供給部１２０、ガスヒータ１２２及び粉末供給部１２４は集合して、選択的な体積及び粒径を有する非金属粒子１２８を、スプレーノズル１３０を有するガン１２６に送る。スプレーノズル１３０は、次に、選択的スプレー温度１３４（図８）において、（選択的圧力により）選択的スプレー速度１３２（図８）で、非金属基板１１６の方向に向けて非金属粒子１２８を推進する。雲母粒子等の非金属粒子１２８は、例えば、ガスヒータ１２２からガン１２６へと送られている圧縮ガス及び粉末供給部１２４からガン１２６へと送られている非金属粒子１２８に基づき、選択的スプレー速度１３２で選択的スプレー温度１３４において、ノズル１３０から押し出される。非金属粒子１２８は、非金属基板１１６に向かって加速され、非金属基板１１６と衝突すると、変形し、結合し又は非金属基板１１６へと埋め込まれて、層１１２を形成する。

システム１１０は、更に、ガスヒータ１２２、粉末供給部１２４、ガン１２６及び高圧ガス供給部１２０に接続されているコントローラ１３６を備える。コントローラ１３６は、非金属粒子１２８の所定の容積及び粉末供給部１２４内における非金属粒子１２８の所定の密度の１つ以上に基づき、（スプレー速度１３２を監視するために）ガス圧力を監視するように、そして、スプレー温度１３４を監視するように、構成されている。非金属粒子１２８の特定の粒径及び混合物が粉末供給部１２４へと充填される。

例示的な一態様においては、コントローラ１３６により、（ガス圧力を変化させることによって）選択的スプレー速度１３２が、所定の最大速度しきい値１３３（図８）未満に制限され、また、選択的スプレー温度１３４が、所定の最高温度しきい値１３５（図８）未満に制限される。しかしながら、代替の一態様においては、コントローラは、単に、スプレー速度及びスプレー温度のいずれかを、その最大しきい値に制限することもできる。例示的な一態様において、スプレー温度しきい値１３５は、非金属基板上スプレーについては、１００℃未満でよい。

例えばガラス布等のガラス裏打ち材１１４が、通常、非金属基板１１６の表面を覆う。ガラス布は、織布でよく、コールドスプレー以外の手段によって、基板１１６に塗布される。図５の例示的な一態様に示すように、ガラス裏打ち材１１４は非金属基板１１６に塗布される。非金属基板１１６にガラス裏打ち材１１４を塗布する際に、非金属基板１１６の、例えば電気絶縁性等の、性能特性を向上させるために、システム１１０を作動させて、雲母粒子等の非金属粒子１２８が、ノズル１３０を通してガラス裏打ち材表面１１４上にコールドスプレーされるようにすることができる。非金属基板に材料が塗布される例示的な一態様においては、非金属基板の密度及び含浸により、向上させようとするコーティング１１２の特性が制御されることになる。

上述の図１〜図４における本発明の態様についてと同様に、雲母粒子等の非金属粒子１２８のコールドスプレープロセスは、加圧ガスと非金属粒子１２８との混合物を結合するステップ、高圧ガスの温度を選択的に変更するステップ及びガラス裏打ち材１１４の表面の方向に向けて混合物を加速させるステップを含む。図６に示すように、加速された、雲母粒子等の、非金属粒子１２８は、ガラス裏打ち材１１４の表面に衝突する。上述したように、コールドスプレープロセス中、雲母粒子等の非金属粒子１２８の速度及び／又は温度等のスプレーパラメータを、それぞれ、速度しきい値及び温度しきい値１３３、１３５未満となるように、コントローラ１３６によって調整することができる。

ガラス裏打ち材１１４の表面上の又は基板１１６内に埋め込まれた加速非金属粒子１２８の種類に基づき、非金属基板１１６の、例えば、高圧絶縁性、熱伝導性及び／又は電気伝導性等の、様々な性能特性を向上させることができる。例示的な一態様においては、非金属基板上に窒化ホウ素粒子をスプレーして、基板に損傷を与えることなく、基板に貫通させ、均一に分布させることができる。

例示的な一態様においては、非金属基板１１６のガラス裏打ち材１１４の表面に向けて非金属粒子１２８を加速させる上述のコールドスプレープロセスは、電気絶縁特性等の非金属基板１１６のパラメータを向上させるために、複数の製造ライン間でガラス裏打ち材１１４を輸送する必要がないように、単一の製造ライン上で実施されるコールドスプレープロセスの個々のステップを含む。

図７に示す本発明の別の例示的な態様においては、導電材料と雲母粒子等の粒子との混合物１４２’を、上述のシステムを用いてガラス裏打ち材１１４’の表面上にコールドスプレーすることができる。そのような導電材料の例として、例えば、炭素及び炭化タングステンが挙げられる。例えば、ガラス裏打ち材１１４’の電気伝導度を向上させるためにコールドスプレーを行なうことができる。更に、ガラス裏打ち材１１４’の電気伝導度を向上させるために十分な混合物を得るために、ガラス裏打ち材１１４’の表面上にコールドスプレーするときに、半電導性材料を粒子と混合してもよい。例示的な一態様においては、導電性テープを形成することができる。その場合、上述のように混合物１４２’を一回のステップにおいてまとめてスプレーするのではなく、導電材料及び非金属粒子が、個々に、ガラス裏打ち材１１４’の表面上に、別々のスプレーステップにおいて、スプレーされる。更なる例示的な一態様においては、ガラス裏打ち材１１４’等の第１の絶縁材料層を形成し；上述の混合物１４２’等のような、絶縁材料と導電材料との混合物を含む、遷移層としての、第２の層を第１の層の上に形成し；そして、例えば炭素及び／又は炭化タングステン等の導電材料を含む第３の層を第２の層の上に形成して、第１の層と第２の層との間に強化された物理的結合を形成することによって、導電性テープを形成することができる。しかしながら、そのような導電性テープの第１の絶縁層は、ガラス裏打ち材１１４’に限定されない。第１の絶縁層は、任意の可撓性裏打ち材でよく、例えば、ロール状に保存するための又は表面に巻きつけるための弾性及び可塑性を有する、例えば、ガラスの織布層、繊維で形成される層、高分子裏打ち材などでよい。

本発明の様々な態様を本明細書中で示して説明してきたが、そのような諸態様が単なる例示として提供されていることは明らかであろう。本発明から逸脱することなく数多くの変形、変更及び置換を行なうことができる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲によってのみ、限定されるものである。

１０、１１０ システム
１２、１２’、１１２ 電気絶縁材料層又はコーティング
１４、１４’ 表面
１１４、１１４’ ガラス裏打ち材
１６、１６’、１１６ 非金属基板又は導体
２０、１２０ 高圧ガス供給部
２２、１２２ ガスヒータ
２４、１２４ 粉末供給部
２６、１２６ ガン
２８、１２８ 非金属粒子
３０、１３０ スプレーノズル
３２、１３２ 選択的スプレー速度
３３、１３３ 速度しきい値
３４、１３４ 選択的スプレー温度
３５、１３５ 温度しきい値
３６、１３６ コントローラ
４０ 裏面
４２’、１４２’ 混合物

Claims (4)

1. 発電機用の巻線に電気絶縁材料層を塗布するための方法であって、
   前記巻線の表面を準備するステップと、
   該巻線の表面に、雲母又は窒化ホウ素からなる非金属粒子をコールドスプレーにより付着させて電気絶縁材料層を形成するステップと、
   を含み、
   前記非金属粒子をコールドスプレーするステップにおいて、
   前記非金属粒子に応じて決められる温度しきい値内に温度制御した加圧ガスに、前記非金属粒子を混ぜるステップと、
   該非金属粒子を混ぜた加圧ガスを、前記非金属粒子に応じて決められる速度しきい値内に速度制御して前記巻線の表面に向けスプレーし、前記巻線の表面に前記非金属粒子を付着させるステップと、を実行する、方法。
2. 前記温度しきい値及び前記速度しきい値は、前記非金属粒子の粒子体積及び粒径に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記巻線の別の表面を準備するステップと、
   該巻線の別の表面に、非金属粒子を前記コールドスプレーにより付着させて、異なる特性の電気絶縁材料層を形成するステップと、
   をさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 発電機用の巻線に電気絶縁材料層を塗布するための方法であって、
   前記巻線の表面を準備するステップと、
   該巻線の表面に、ガラス繊維とエポキシ樹脂との混合物をコールドスプレーにより付着させるステップと、
   該付着させた混合物を加熱して前記エポキシ樹脂成分を硬化させ、電気絶縁材料層を形成するステップと、
   を含み、
   前記混合物をコールドスプレーするステップにおいて、
   前記混合物に応じて決められる温度しきい値内に温度制御した加圧ガスに、前記混合物を混ぜるステップと、
   該混合物を混ぜた加圧ガスを、前記混合物に応じて決められる速度しきい値内に速度制御して前記巻線の表面に向けスプレーし、前記巻線の表面に前記混合物を付着させるステップと、を実行する、方法。

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