JP6386459B2 - 表面改質オーバーヘッド導体 - Google Patents

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Description

本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、2012年8月10日に出願した米国仮出願第61/681,926号、2012年9月17日に出願した米国仮出願第61/702,120号、2013年2月26日に出願した米国仮出願第61/769,492号、および2013年3月15日に出願した米国仮出願第61/800,608号の優先権を主張するものである。
本発明は、導体がより低い温度で動作することを可能にするコーティングを有する表面改質オーバーヘッド導体に関する。
電気の必要性が増大し続けるにつれて、より大容量の送電線および配電線の必要性も、同様に増大する。送電線が送達することができる電力の量は、線の電流搬送能力(電流容量)に依存する。線の電流容量は、電流を搬送する裸導体の最大安全動作温度によって制限される。この温度を超えることは、線の導体または付属品に損傷を与える可能性がある。さらに、導体は、抵抗損失および太陽熱によって加熱され、伝導、対流、および放射によって冷却される。抵抗損失によって生成される熱の量は、抵抗損失=I2Rの関係によって、それを通過する電流(I)およびその電気抵抗(R)に依存する。電気抵抗(R)それ自体は、温度に依存する。より高い電流および温度は、より高い電気抵抗につながり、より高い電気抵抗は、今度は、導体でのより大きい電気的損失につながる。
いくつかの解決策が、当該技術分野で提案されている。Simicの国際公開第2007/034248号(特許文献1)は、スペクトル選択性表面コーティングで被覆されたオーバーヘッド導体を開示している。コーティングは、0.7よりも高い熱放射係数(E)、および0.3未満の日射吸収係数(A)を有する。Simicは、低い日射吸収を有するために、表面が白色であることも必要とする。
独国特許発明第3824608号(特許文献2)は、0.6よりも大きい、好ましくは0.9よりも大きい放射率を有する黒色塗料コーティングを有するオーバーヘッドケーブルを開示している。塗料は、プラスチック(例えば、ポリウレタン)および黒色顔料から作製される。
仏国特許発明第2971617号(特許文献3)は、その放射率係数が0.7以上であり、日射吸収係数が0.3以下であるポリマー層で被覆された導電体を開示している。ポリマー層は、ポリビニリデンフルオリド(PVDF)および白色顔料添加物から製造される。
仏国特許発明第2971617号と国際公開第2007/034248号の両方は、眩しさ、および経時変色のため望ましくない白色コーティングを必要とする。独国特許発明第3824608号と仏国特許発明第2971617号の両方は、それらの疑わしい熱および湿潤老化特性のため望ましくないポリマーコーティングを必要とする。
国際公開第2007/034248号パンフレット 独国特許発明第3824608号明細書 仏国特許発明第2971617号明細書 米国特許第6,007,873号明細書 米国特許第7,105,047号明細書 米国特許第5,296,288号明細書 米国特許第7,015,395号明細書 米国特許第7,438,971号明細書 米国特許第7,752,754号明細書 米国特許出願公開第2010/0076719号明細書
CIE刊行物15.2(1986)、セクション4.2
したがって、導体が低下した温度で動作することを可能にする、オーバーヘッド導体用の耐久性がある無機の非白色コーティングが依然として求められている。
導体の温度は、導体の電気的特性、導体の物理的特性、および地域の気象条件を含む多くの要因に依存する。導体が温度を上昇させることになる1つの方法は、日射により太陽からの熱を吸収することによるものである。吸収される熱の量は、導体の表面、すなわち、表面の吸収率係数(「吸収率」)に依存する。低い吸収率は、導体が日射による少ない量の熱しか吸収しないことを示す。
導体が温度を低下させる1つの方法は、放射を介して放熱することによる。放射される熱の量は、導体表面の放射率係数(「放射率」)に依存する。高い放射率は、導体が低い放射率を有する導体よりも多くの熱を放射していることを示す。
したがって、本発明の目的は、ANSI C119.4-2004に従って試験したときに、放熱剤なしの同じ導体の温度と比較して、導体の動作温度を低下させる放熱剤を含むオーバーヘッド導体を提供することである。放熱剤は、導体中に直接取り入れられ得、または、導体に被覆され得る。好ましくは、動作温度は、少なくとも5℃低下する。
本発明のさらなる目的は、耐久性のある熱および湿潤老化特性を有するオーバーヘッド導体用の無機の非白色コーティングを提供する。コーティングは、好ましくは、望ましい特性を有する放熱剤と、適切な結合剤/懸濁剤とを含む。好ましい実施形態では、コーティングは、0.5以上の熱放射率、および/または、0.3よりも大きい日射吸収係数を有する。好ましい実施形態では、コーティングは、導体のものと同様の、0〜250℃の温度範囲にわたって約10×10-6〜約100×10-6/℃の熱膨張を有する。
本発明のさらに別の目的は、放熱剤なしの同じ導体の温度と比較して、導体の動作温度を低下させる、無機の非白色の可撓性コーティングでオーバーヘッド導体を被覆するための方法を提供する。
本発明およびその多くの付随する利点のより完全な理解は、添付図面に関連して考慮されるとき、以下の詳細な説明への参照によって、それらがよりよく理解されるように、容易に得られるであろう。
本発明の一実施形態による導体の断面図である。 本発明の一実施形態による導体の断面図である。 本発明の一実施形態による導体の断面図である。 本発明の一実施形態による導体の断面図である。 所与の印加電流に対する金属基板の温度を測定するための試験配置を示す図である。 被覆された導体および被覆されていない導体の温度を示すグラフである。 所与の印加電流に対する直列ループシステム内の金属基板の温度差を測定するための試験配置を示す図である。 2/0 AWG固体アルミニウム導体の温度を示すグラフである。 795kcmilのArbutus総アルミニウム導体の温度を示すグラフである。 本発明の連続プロセスを示す図である。 浸液式(flooded)ダイの断面を示す図である。 浸液式ダイの平面図を示す図である。 浸液式ダイの破断図を示す図である。
本発明は、ANSI C119.4-2004に従って試験したときに、放熱剤なしの同じ導体の温度と比較して、導体の動作温度を低下させる外側コーティングを含むオーバーヘッド導体を提供する。放熱剤は、導体中に直接取り入れられ得、または、導体に被覆され得る。好ましくは、動作温度は、少なくとも5℃低下する。
一実施形態では、本発明は、例えば、電気抵抗、コロナ、破断点伸び、引張強さ、および弾性係数などの、いかなる電気的または機械的特性の大きな変化もなしに、導体の動作温度を低下させるために、表面コーティングを有する裸オーバーヘッド導体を提供する。本発明のコーティング層は、好ましくは非白色である。CIE刊行物15.2(1986)、セクション4.2は、CIE L*、a*、b*カラースケールの使用を推奨している。色空間は、立方体として編成されている。L*軸は、上から下に延びる。L*の最大値は、100であり、これは、完全な拡散反射体または白色を表す。L*の最小値は、0であり、これは、黒色を表す。本明細書で使用されるとき、「白色」は、80以上のL*値を意味する。
好ましい実施形態では、コーティング層の熱放射係数は、0.5以上であり、より好ましくは、0.7よりも大きく、最も好ましくは、約0.8よりも大きい。さらに別の好ましい実施形態では、コーティング層の吸収係数は、約0.3よりも大きく、好ましくは、約0.4よりも大きく、最も好ましくは、約0.5よりも大きい。導体コーティングは、加熱および冷却中のワイヤの熱膨張によりひびが入る傾向にあるので、表面コーティングの膨張係数は、好ましくは、ケーブル導体のものと一致する。本発明では、コーティングの膨張係数は、0〜250℃の温度範囲にわたって約10×10-6〜約100×10-6/℃の範囲である。コーティング層は、また、好ましくは、耐熱老化特性に合格する。オーバーヘッド導体は、オーバーヘッド導体の設計に応じて75℃〜250℃の最高温度で動作するように設計されるので、加速した熱老化は、好ましくは、1日および7日間、325℃に維持された空気循環式オーブン内に標本を置くことによって行われる。熱老化が完了した後、標本は、24時間、21℃の室温に置かれる。標本は、次いで、より大きい直径からより小さい直径までのサイズの異なる円筒形マンドレル上で曲げられ、コーティングは、マンドレルサイズのそれぞれで任意の目に見えるひびについて観察される。結果は、熱老化前のコーティングの可撓性と比較される。
別の実施形態では、本発明のコーティング層(コーティング組成物)は、結合剤および放熱剤を含む。組成物は、表面層として裸導体ワイヤ上に被覆されたとき、導体が動作中に導体によって生成される熱をよりよく放散させることを可能にする。組成物は、また、充填剤、安定剤、着色剤、界面活性剤、および赤外線(IR)反射性添加剤などの、他のオプションの成分を含むことができる。組成物は、好ましくは、無機成分のみを含む。任意の有機成分が使用される場合、それらは、(乾燥コーティング組成物の重量で)約10%未満、好ましくは、5重量%未満であるべきである。一旦導体上に被覆され、乾燥させられると、コーティング層は、好ましくは、200ミクロン未満であり、より好ましくは、100ミクロン未満であり、最も好ましくは、30ミクロン未満である。いずれの場合にも、厚さは、少なくとも5ミクロンである。本発明に従って製造されたコーティングは、好ましくは、非白色である。より好ましくは、コーティングは、非白色(L*<80)であり、および/または、約0.3よりも大きい、好ましくは、約0.5、最も好ましくは、約0.7の吸収率を有する。コーティングは、電気的に非導電性、半導電性、または導電性であり得る。
1つまたは複数の結合剤は、コーティング組成物中、好ましくは(総乾燥組成物の重量で)約20〜60%の濃度で使用され得る。結合剤は、水酸基、エポキシ、アミン、酸、シアン酸塩、ケイ酸塩、ケイ酸エステル、エーテル、炭酸塩、マレイン酸などの官能基を含むことができる。無機結合剤は、限定はしないが、ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、および、ケイ酸アルミニウムマグネシウムなどの金属ケイ酸塩、解膠化酸化アルミニウム一水和物、コロイド状ケイ酸、コロイド状アルミナ、リン酸アルミニウム、ならびに、これらの組み合わせであり得る。
1つまたは複数の放熱剤は、コーティング組成物中、好ましくは、(総乾燥組成物の重量で)約1〜20%の濃度で使用され得る。放熱剤は、限定はしないが、酸化ガリウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、六ホウ化ケイ素、四ホウ化炭素、四ホウ化ケイ素、炭化ケイ素、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、二ホウ化ジルコニウム、酸化亜鉛、亜クロム酸第二銅、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化クロム、酸化鉄、炭化ホウ素、ケイ化ホウ素、酸化銅クロム、リン酸三カルシウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、およびこれらの組み合わせを含む。
1つまたは複数のIR反射性添加剤は、コーティング組成物中で使用され得る。一般に、IR反射性添加剤は、限定はしないが、コバルト、アルミニウム、ビスマス、ランタン、リチウム、マグネシウム、ネオジム、ニオブ、バナジウム、第一鉄、クロム、亜鉛、チタン、マンガン、およびニッケル系金属酸化物、ならびにセラミックを含むことができる。典型的には、IR反射性添加剤は、個別に、または着色剤と混合して、(総乾燥組成物の重量で)0.1〜5%で使用される。
1つまたは複数の安定剤は、コーティング組成物中、好ましくは、(総乾燥組成物の重量で)約0.1〜2%の濃度で使用され得る。安定剤の例は、限定はしないが、ベントナイトなどの分散安定剤を含む。
1つまたは複数の着色剤は、コーティング組成物中、好ましくは、(総乾燥組成物の重量で)約0.02〜0.2%の濃度で使用され得る。着色剤は、限定はしないが、二酸化チタン、ルチル、チタン、カモ(anatine)、ブルッカイト、カドミウムイエロー、カドミウムレッド、カドミウムグリーン、オレンジコバルト、コバルトブルー、セルリアンブルー、オーレオリン、コバルトイエロー、銅顔料、藍銅鉱、漢紫、漢青、エジプシャンブルー、孔雀石、パリスグリーン、フタロシアニンブルーBN、フタロシアニングリーンG、緑青、ビリジアン、酸化鉄顔料、サンギーヌ、カプットモータム、オキサイドレッド、レッドオーカー、ベネチアンレッド、プルシアンブルー、クレイアース顔料、イエローオーカー、ローシェンナ、バーントシェンナ、ローアンバー、バーントアンバー、マリン顔料(ウルトラマリン、ウルトラマリングリーンシェード)、亜鉛顔料(亜鉛白、亜鉛フェライト)、およびこれらの組み合わせを含む、有機または無機顔料であり得る。
1つまたは複数の界面活性剤は、また、コーティング組成物中、好ましくは、(総乾燥組成物の重量で)約0.05〜0.5%の濃度で使用され得る。適切な界面活性剤は、限定はしないが、陽イオン性、陰イオン性、または非イオン性界面活性剤、および、脂肪酸塩を含む。
本発明に適した他のコーティングは、参照により本明細書に組み込まれているHolcombe Jr.らの米国特許第6,007,873号、Simmonsらの米国特許第7,105,047号、およびKourtidesらの米国特許第5,296,288号に見出される。
好ましいコーティング組成物は、51.6重量パーセントの酸化セリウム粉末、および48.4重量パーセントのリン酸アルミニウム結合剤溶液を含む。リン酸アルミニウム結合剤溶液は、好ましくは、57重量パーセントのモノリン酸アルミニウム三水和物(Al(H2PO4)3)、2重量パーセントのリン酸、および41重量パーセントの水を含む。
別の好ましいコーティング組成物は、放射剤および結合剤溶液として、炭化ホウ素またはケイ化ホウ素を含む。結合剤溶液は、二酸化ケイ素に対するケイ酸ナトリウムのコーティング中での乾燥重量比が約1:5で、ケイ酸ナトリウムおよび二酸化ケイ素の混合物を水中に含む。炭化ホウ素のローディングは、総コーティング乾燥重量の2.5重量%〜7.5重量パーセントを構成するようなものである。
さらに別の好ましいコーティング組成物は、結合剤としてコロイド状二酸化ケイ素、放射剤として六ホウ化ケイ素粉末を含む。六ホウ化ケイ素のローディングは、総コーティング乾燥重量の2.5重量%〜7.5重量%を構成するようなものである。
本発明の一実施形態では、コーティング組成物は、約5%未満の有機材料を含むことができる。その場合には、コーティング組成物は、好ましくは、ケイ酸ナトリウム、窒化アルミニウム、およびアミノ官能性シロキサン(アミノ官能基を含むように改質されたシリコーン)を含む。ケイ酸ナトリウムは、好ましくは、乾燥コーティング組成物の約60〜90重量%存在し、より好ましくは、約67.5〜82.5重量%存在し、窒化アルミニウムは、好ましくは、乾燥コーティング組成物の約10〜35重量%存在し、より好ましくは、15〜30重量%存在し、アミノ官能性シロキサンは、好ましくは、乾燥コーティング組成物の約5重量%未満存在し、より好ましくは、約2〜3重量%存在する。窒化アルミニウムは、好ましくは、2m2/g未満の比表面積を有し、ならびに/または、以下の粒子サイズ分布、すなわち、D10%-0.4〜1.4ミクロン、D50%-7〜11ミクロン、およびD90%-17〜32ミクロンを有する。好ましいアミノ官能性シロキサンは、アミノジメチルポリシロキサンである。より好ましくは、ジメチルポリシロキサンは、25℃で約10〜50センチストークの粘度、および/または、塩基/グラムの0.48ミリ当量のアミン当量を有する。
一旦硬化すると、コーティングは、10インチ以下の直径のマンドレル上で曲げられたとき、目に見えるひびを示さない柔軟なコーティングを提供する。硬化したコーティングは、また、耐熱性であり、1日および7日間の325℃での熱老化後の同じマンドレル曲げ試験に合格する。
図1、2、3、および4は、スペクトル選択性表面を組み込んだ本発明の様々な実施形態による様々な裸オーバーヘッド導体を示す。
図1に見られるように、本発明の裸オーバーヘッド導体100は、全体として、1つまたは複数のワイヤのコア110と、コアの周囲の円形断面導電性ワイヤ120と、スペクトル選択性表面層130とを含む。コア110は、鋼、インバー鋼、炭素繊維複合体、または、導体に強度を提供する任意の他の材料であり得る。導電性ワイヤ120は、銅、もしくは銅合金、または、アルミニウム、もしくはアルミニウムタイプ1350、6000系合金アルミニウムを含むアルミニウム合金、またはアルミニウム-ジルコニウム合金、または、任意の他の導電性金属である。図2に見られるように、裸オーバーヘッド導体200は、全体として、円形導電性ワイヤ210と、スペクトル選択性表面層220とを含む。導電性ワイヤ210は、銅、もしくは銅合金、または、アルミニウム、もしくはアルミニウムタイプ1350、6000系合金アルミニウムを含むアルミニウム合金、または、アルミニウム-ジルコニウム合金、または、任意の他の導電性金属である。図3に見られるように、本発明の裸オーバーヘッド導体300は、全体として、1つまたは複数のワイヤのコア310と、コアの周囲の台形状導電性ワイヤ320と、スペクトル選択性表面層330とを含む。コア310は、鋼、インバー鋼、炭素繊維複合体、または、導体に強度を提供する任意の他の材料であり得る。導電性ワイヤ320は、銅、もしくは銅合金、または、アルミニウム、もしくはアルミニウムタイプ1350、6000系合金アルミニウムを含むアルミニウム合金、または、アルミニウム-ジルコニウム合金、または、任意の他の導電性金属である。
図4に見られるように、裸オーバーヘッド導体400は、全体として、台形状導電性ワイヤ410と、スペクトル選択性表面層420とを含む。導電性ワイヤ410は、銅、もしくは銅合金、または、アルミニウム、もしくはアルミニウムタイプ1350、6000系合金アルミニウムを含むアルミニウム合金、または、アルミニウム-ジルコニウム合金、または、任意の他の導電性金属である。
コーティング組成物は、高速分散機(High Speed Disperser:HSD)、ボールミル、ビーズミル、または、当該技術分野で公知の他の技術を使用して作製され得る。好ましい実施形態では、コーティング組成物を作製するために、HSDが使用される。コーティング組成物を作製するために、結合剤、分散媒、および(使用される場合)界面活性剤は、高速分散機内に取り込まれ、溶液が調整される。その溶液中に、放熱剤、充填剤、安定剤、着色剤、および他の添加物が、ゆっくりと添加される。最初は、取り込まれた空気を除去するために、より遅い拡散速度が使用され、その後、速度は、3000rpmまで徐々に増加される。コーティング中での充填剤および他の添加物の所望の分散が達成されるまで、高速混合が行われる。任意の多孔質充填剤は、また、それらの混合物中への添加の前に、結合剤溶液で予め被覆され得る。分散媒は、水または有機溶媒であり得る。有機溶媒の例は、限定はしないが、アルコール、ケトン、エステル、炭化水素、およびこれらの組み合わせを含む。好ましい分散媒は、水である。得られるコーティング混合物は、約40〜80%の全固形分を有する懸濁液である。この懸濁液の貯蔵中、固体粒子は、沈殿する可能性があり、したがって、そのコーティング混合物は、コーティングアプリケータに移動する前に、撹拌される必要があり、さらに、必要な粘度を達成するために、希釈され得る。
本発明の一実施形態では、オーバーヘッド導体の表面は、コーティング組成物の塗布の前に調整される。調製プロセスは、化学的処理、加圧空気洗浄、温水または蒸気洗浄、ブラシ洗浄、加熱処理、サンドブラスト、超音波、減グレア化(deglaring)、溶剤ワイプ、プラズマ処理、などであり得る。調製プロセスでは、オーバーヘッド導体の表面は、サンドブラストによって減グレア化される。
コーティング混合組成物は、スプレーガンによって、好ましくは、10〜45psiの圧力で塗布され得、これは、空気圧によって制御される。スプレーガンのノズルは、好ましくは、導体製品上の均一なコーティングを得るために、導体の方向に対して垂直(約90°の角度)に配置される。特定の場合には、より効率的なコーティングを得るために、2つ以上のガンが使用され得る。コーティングの厚さおよび密度は、混合物の粘度、ガンの圧力、および導体のライン速度によって制御される。コーティングの塗布中、オーバーヘッド導体温度は、好ましくは、導体の材料に応じて10℃と90℃との間に維持される。
代替的には、コーティング混合物は、浸漬によって、または、ブラシを使用することによって、または、ローラを使用することによってオーバーヘッド導体に塗布され得る。ここで、洗浄および乾燥された導体は、混合物が導体を完全に被覆することを可能にするために、コーティング混合物中に浸漬される。導体は、次いで、コーティング混合物から取り出され、乾燥される。
塗布後、オーバーヘッド導体上のコーティングは、室温、または、325℃までの高温のいずれかで、蒸発によって乾燥される。一実施形態では、コーティングは、コーティングを、強烈だが短い(約0.1〜2秒、好ましくは、約0.5〜1秒)の加熱に曝す直火への曝露によって乾燥される。
開発されたコーティングは、すでに設置され、現在使用されているオーバーヘッド導体に使用され得る。既存の導体は、自動化または半自動化されたコーティングのためのロボットシステムで被覆され得る。自動化システムは、3つのステップ、すなわち、1.導体表面を洗浄するステップ、2.コーティングを導体表面に塗布するステップ、および3.コーティングを乾燥させるステップで機能する。
コーティングは、いくつかの方法で導体に塗布され得る。コーティングは、ワイヤが裸オーバーヘッド導体に組み立てられる前に、個々のワイヤを被覆することによって塗布され得る。ここで、導体のワイヤのすべてを被覆しておくことができ、または、より経済的には、導体の最も外側のワイヤのみを被覆しておくことができる。代替的には、コーティングは、裸オーバーヘッド導体の外側表面にのみ塗布され得る。ここで、完全な外側表面、またはその一部が、被覆され得る。
コーティングは、バッチプロセス、半バッチプロセス、または連続プロセスで塗布され得る。連続プロセスが好ましい。図10は、本発明のための好ましい連続プロセスを示す。取り込み巻回ロール102の後、導体112は、コーティングユニット106でコーティングが塗布される前に、前処理ユニット104による表面調整処理を通過する。コーティングが塗布された後、導体は、乾燥/硬化ユニット108によって乾燥され得る。一旦乾燥されたら、ケーブルは、ローラ110に巻回される。
前処理ユニット104では、導体112の表面は、好ましくは、媒体ブラストによって調整される。好ましい媒体は、砂であるが、ガラスビーズ、イルメナイト、スチールショットも使用され得る。媒体ブラストの後に、導体112から粒子状材料を吹き飛ばすために、空気ワイピングが続けられる。空気ワイプは、ある角度で、導体112の進行方向に対向する方向で導体112へ吹き出す空気のジェットで構成される。空気ジェットは、空気の360°のリングを作成し、この空気の360°のリングは、導体112の外周に付き、表面を高速度の空気で払拭する。この場合には、導体が前処理ユニット104を出るとき、導体112上のどのような粒子も払拭され、前処理ユニット104内に吹き戻される。空気ジェットは、典型的には、約60〜約100PSI、好ましくは、約70〜90PSI、より好ましくは、約80PSIで動作する。空気ジェットは、好ましくは、約125mph〜約500mph、より好ましくは、約150mph〜約400mph、最も好ましくは、約250mph〜約350mphの(ノズルから出てくる)速度を有する。空気ワイプ後、導体の表面上の10ミクロンよりも大きいサイズの粒子の数は、導体表面の1平方フィートあたり1000未満であり、好ましくは、表面の1平方フィートあたり100未満である。空気ワイプ後、導体は、好ましくは、加熱オーブン、UV、IR、Eビーム、裸火、などによって加熱される。加熱は、単一または複数のユニットによって達成され得る。好ましい実施形態では、乾燥/硬化は、直火の適用によって生じる。ここで、ケーブルは、ケーブル表面を周囲温度よりも高い温度に加熱するために、直接火に通される。前処理での高い加熱温度は、後の乾燥/硬化ユニットでのより低い加熱温度を可能にする。しかしながら、加熱は、コーティングの品質(例えば、付着性、均一性、膨れなど)に影響を与えるため、あまり激しくすべきではない。ここで、導体は、約140℃よりも高く、より好ましくは、約120℃よりも高く加熱されないことが好ましい。
導体112の表面が一旦調整されると、コーティングの準備ができている。コーティングプロセスは、コーティングユニット内で行われ、コーティングユニットでは、ケーブルは、調製された表面上にコーティングの液体懸濁液を堆積する浸液式ダイを通過する。図11〜図13は、環状浸液式ダイ200の描写を示す。コーティング懸濁液は、チューブ206を介してダイ200に供給される。導体112が浸液式ダイ200の中心開口部204を通過するにつれて、コーティング懸濁液は、ダイ200の内側表面202の開口ポートを経て導体112を被覆する。好ましくは、浸液式ダイ200は、内側表面202の周囲に等間隔に配置された2つ以上、好ましくは、4つ、より好ましくは、6つの開口ポートを含む。導体112は、一旦浸液式ダイを出ると、次いで、余分なコーティング懸濁液を除去し、コーティングを導体の周囲に均等に広げるために、別の空気ワイプを通過する。撚り導体の場合には、空気ワイプは、コーティングが導体の表面上の撚線間の溝に入り込むことを可能にする。この空気ワイプは、好ましくは、前処理ユニット104の空気ワイプと同じ条件で動作する。
導体112は、一旦被覆されると、乾燥/硬化ユニット108を通過する。乾燥/硬化は、空気によって、または、1000℃までの温度の高温空気および/もしくは、導体に使用される金属合金に応じて、約9フィート/分〜約500フィート/分、好ましくは、約10フィート/分〜約400フィート/分のライン速度を使用することによって達成され得る。乾燥プロセスは、段階的な乾燥、急速乾燥、または、直火の適用であり得る。乾燥または硬化は、加熱オーブン、UV、IR、Eビーム、化学的、または液体スプレー、などの他の技術によっても達成され得る。乾燥は、単一または複数のユニットによって達成され得る。それは、また、垂直もしくは水平、または特定の角度であり得る。好ましい実施形態では、乾燥/硬化は、直火の適用によって生じる。ここで、ケーブルは、好ましくは、ケーブル表面を約150℃まで、好ましくは、約120℃までの温度に加熱するために、火を直接通過する。一旦乾燥/硬化されると、被覆された導体は、貯蔵のためにローラ110に巻回される。
連続プロセスは、(ケーブル全体の代わりに)個々の撚線に対して動作した場合、好ましくは、約2500フィート/分まで、好ましくは、約9〜約2000フィート/分、より好ましくは、約10〜約500フィート/分、最も好ましくは、約30〜約300フィート/分のライン速度で動作する。
本発明のオーバーヘッド導体コーティングは、複合コア導体設計で使用され得る。複合コア導体は、より高い動作温度でのそれらのより少ないたるみ、および、より高い重量対強度比のため、使用される。コーティングにより低下する導体動作温度は、さらに、導体のたるみをより少なくし、複合体内のポリマー樹脂の劣化をより低下させる。複合コアの例は、例えば、参照により本明細書に組み込まれている、米国特許第7,015,395号、第7,438,971号、および第7,752,754号に見出され得る。
被覆された導体は、改善された放熱を示す。放射率は、放射によって熱を放出する表面の相対的なパワーであり、同じ温度で黒体によって放射される放射エネルギーに対する表面によって放射される放射エネルギーの比である。放射強度は、単位面積当たりのボディの表面によって放射されるエネルギーである。放射率は、例えば、参照により本明細書に組み込まれている、Lawryらの米国特許出願公開第2010/0076719号に開示された方法によって測定され得る。
さらなる説明なしに、当業者は、前述の説明および以下の例示的な例を使用して、本発明の化合物を作製および使用することができ、特許請求された方法を実施することができると考えられる。以下の例は、本発明を説明するために与えられる。本発明は、この例で説明される特定の条件または詳細に限定されるものではないことを理解すべきである。
［実施例１］
コンピュータシミュレーション研究は、同じピーク電流に対する導体の動作温度の低下を測定するために、異なるE/A(吸収率に対する放射率の比)値を使用して実行された。E/A比は、コーティングによって改質された導体の表面特性として考慮された。表1は、オーバーヘッド導体の様々な設計に対するシミュレーション結果を表にしている。
Figure 0006386459
［実施例２］
コーティングは、ケイ酸ナトリウム(20重量%)、放熱剤として炭化ホウ素(3重量%)を有する二酸化ケイ素(37重量%)、および水(40重量%)を混合することによって調製された。コーティング組成物は、0.85よりも高い放射率を有する金属基板に塗布される。コーティングの性能改善を測定するために、電流が、1milのコーティング厚を有する金属基板、および被覆されていない金属基板を介して印加される。試験装置は、図5に示され、主に、60Hz交流電流源と、真の実効値クランプオン電流計と、温度データログデバイスと、タイマとから構成される。試験は、標本の周りの空気の移動を制御するために、68インチ幅×33インチ深さの窓付き安全筐体内で行われた。換気のために、排気フードが試験装置の64インチ上方に配置された。
試験される標本は、タイマによって制御されるリレー接点を介して交流電流源と直列に接続された。タイマは、電流源を活性化するために使用され、試験の持続時間を制御した。標本を流れる60Hz交流電流は、真の実効値クランプオン電流計によって監視された。標本の表面温度を測定するために、熱電対が使用された。ばねクランプを使用し、熱電対の先端は、標本の中心面と接触してしっかりと保持された。被覆された標本に対する測定の場合には、基板の温度の正確な測定値を得るために、コーティングは、熱電対が標本と接触した領域で除去された。温度変化の連続的な記録を提供するために、熱電対の温度は、データログ記録デバイスによって監視された。
被覆されていない基板標本と被覆された基板標本の両方は、同一の実験条件下で、この試験構成で温度上昇に関して試験された。電流は、所望のレベルに設定され、一定の電流が標本を流れていることを保証するために、試験中に監視された。タイマは、所望の値に設定され、温度データログ記録デバイスは、1秒当たり1記録の記録間隔で温度を記録するように設定された。
被覆されていない標本および被覆された標本の金属成分は、同じ原料物質およびアルミニウム1350のロットからであった。被覆されていない標本の仕上がり寸法は、12.0インチ(長さ)×0.50インチ(幅)×0.027インチ(厚さ)であった。被覆された標本の仕上がり寸法は、12.0インチ(長さ)×0.50インチ(幅)×0.029インチ(厚さ)であった。厚さおよび幅の増加は、塗布されたコーティングの厚さによるものであった。
被覆されていない標本は、試験構成内にしっかりと置かれ、熱電対は、標本の中心部分に固定された。それが完了すると、電流源は、スイッチオンされ、必要な許容電流負荷レベルに調整された。それが達成されると、電源は、スイッチオフされた。試験自体のために、タイマおよびデータログデバイスがすべて正しく設定されると、タイマは、電流源を活性化するためにオンにされ、したがって、試験を開始した。所望の電流は、標本を流れ、温度は、上昇を開始した。標本の表面温度変化は、データログデバイスによって自動的に記録された。試験期間が完了すると、タイマは、電流源を自動的にシャットダウンし、したがって、試験を終了した。
被覆されていない標本は、試験されると、構成から取り除かれ、被覆された標本に置き換えられた。試験は、電源電流デバイスへの調整を行わずに再開した。同じ電流レベルが、被覆された標本を通過した。
温度試験データは、次いで、データログデバイスからアクセスされ、コンピュータを使用して解析された。被覆されていない標本試験からの結果を被覆された試験からのものと比較することは、コーティング材料の相対的な放射率の有効性を決定するために使用された。試験の結果は、図6に示されている。
［実施例３］
2つの#4AWG固体アルミニウムの被覆された導体の温度上昇に対する風の影響が、180アンペアの電流で評価された。風をシミュレートするために、3つの速度を有するファンが使用され、風は、2フィート遠くから試験されている導体に直接吹いた。試験方法の回路図は、図7に示される。被覆された導体と被覆されていない導体の両方は、180アンペア、太陽光、および風の下で試験され、試験結果は、表2に示されている。被覆された導体は、無風、弱風、および強風をそれぞれ当てられたとき、被覆されていないものよりも35.6%、34.7%、および26.1%温度が低下した。風の速度は、被覆された導体には少しの影響しか持たないが、被覆されていないものには13%の影響を有する。
Figure 0006386459
2つの#4 AWG固体アルミニウム導体の温度上昇に対する風の影響が、130アンペアの電流で評価された。被覆されていない導体および被覆された導体は、130アンペア電流および太陽光に加えて、それぞれ無風、弱風、および強風の下で試験された。試験結果は、表3にまとめられている。被覆された導体は、無風、弱風、および強風をそれぞれ当てられたとき、被覆されていない導体よりも29.9%、13.3%、および17.5%温度が低下した。
Figure 0006386459
［実施例４］
試験は、被覆されたおよび被覆されていない2/0AWG固体アルミニウムおよび795kcmilのArbutus導体標本に対して行われた。電流サイクル試験方法は、本明細書で適合されるようにANSI C119.4-2004に従って行われた。
導体試験標本:
1)実施例2で開示されたコーティング組成物で被覆された2/0AWG固体アルミニウム導体。コーティングの厚さは、1milである。
2)被覆されていない2/0AWG固体アルミニウム導体
3)実施例2で開示されたコーティング組成物で被覆された795kcmilのArbutus総アルミニウム導体。コーティングの厚さは、1milである。
4)被覆されていない795kcmilのArbutus総アルミニウム導体
5)アルミニウム板(電気グレードバス)
試験ループアセンブリ:直列ループが、6つの同一サイズの4フィート導体試料(3つは被覆されておらず、3つは被覆されている)に、変流器を介してルーティングされた追加の適切な導体を加えて形成された。直列ループは、抵抗測定のための等電位面を提供するために導体試料間に設置された等化器と共に溶接された、被覆されたものと被覆されていないものとを交互にした3つの同一サイズの導体試料の2つの連続から構成された。等化器は、すべての導体試料間の恒久的な接触を保証した。等化器(2/0固体アルミニウムのための2インチ×3/8インチ×1.75インチ、および、795AAC Arbutusのための3インチ×3/8インチ×3.5インチ)は、アルミニウムバスから製作された。接続導体のサイズの孔が、等化器に穿設された。隣接する導体の端部は、直列ループを完成させるために、等化器に溶接された。2つの連続を接続するために、より大きい等化器(2/0固体アルミニウムのための10インチ×3/8インチ×1.75インチ、および、795AAC Arbutusのための12インチ×3/8インチ×3.5インチ)が、一方の端部で使用され、他方の端部は、変流器を介してルーティングされた追加の導体に接続された。ループ構成は、図7に示されている。
試験ループアセンブリは、どの壁からも少なくとも1フィート、床および天井から少なくとも2フィートに配置された。隣接するループは、互いから少なくとも1フィートに配置され、個別に通電された。
温度測定:各導体試料の温度測定は、試験の過程で、指定された間隔で同時に監視された。温度は、タイプTの熱電対およびデータロガーを使用して監視された。1つの熱電対は、12時の位置で、試料上の中点で各導体に取り付けられた。各標本の1つの試料は、3時および6時の位置で試料の側面に接続された追加の熱電対を有した。1つの熱電対は、周囲温度測定のために、直列ループに隣接して配置された。
電流設定:導体電流は、被覆されていない導体試料のための加熱期間の終了時に周囲空気温度より高い100℃〜150℃の温度を生じるために、適切な電流容量に設定された。被覆されていない導体および被覆された導体は、試験アセンブリ内で直列に配置されたので、同じ電流が、両方の標本を通過した。最初のいくつかの熱サイクルは、所望の温度上昇を生じるために、適切な電流容量を設定するために使用された。熱サイクルは、2/0AWG固体アルミニウムループのための1時間の加熱と、それに続く1時間の冷却、および、795鎖アルミニウムループのための1時間半の加熱と、それに続く1時間半の冷却から構成された。
試験手順:試験は、試験が、減少した数の熱サイクルに対して実行された(少なくとも50サイクルが実行された)ことを除いて、電流サイクル試験方法、ANSI C119.4-2004に従って行われた。周囲温度は、±2℃に維持された。温度測定は、熱サイクルの間、連続的に記録された。抵抗は、加熱サイクルの終了時、および、次の加熱サイクルの前に、導体が室温に戻った後に測定された。
試験結果:被覆された2/0 AWG固体アルミニウム導体および795kcmilのArbutus総アルミニウム導体は、被覆されていない導体よりも(20℃を超えて)低い温度を示した。温度差データは、図8および図9にそれぞれ取り込まれている。
［実施例５］
アルミニウム基板は、以下に説明され、表4にまとめられたように、様々なコーティング組成物で被覆された。コーティング組成物は、白色から黒色までの範囲の色スペクトルを有する。
アルミニウム制御:1350アルミニウム合金から作製された被覆されていないアルミニウム基板。
コーティング2:グレードAeroglaze A276としてLord Corporationから入手可能な、56重量%の固形分を有するポリウレタン系コーティング。
コーティング3: Kynar ARCとしてArkemaから入手可能な70:30の比のフルオロポリマー/アクリル樹脂、および10重量%の二酸化チタン粉末を有するPVDF系コーティング。
コーティング4:75重量%のケイ酸ナトリウム水溶液(固形40%を含む)、および、US Zincから入手可能な25重量%の酸化亜鉛を含むコーティング。
コーティング5:72.5重量%のケイ酸ナトリウム水溶液(固形40%を含む)、および、H.C.Starckから入手可能な(D10%が0.4〜1.4ミクロン、D50%が7〜11ミクロン、D90%が17〜32ミクロンの粒子サイズ分布を有する)12.5重量%の窒化アルミニウムAT粉末、12.5重量%の炭化ケイ素、および、Momentive Performance Material holding Inc.から入手可能な2.5重量%の反応性アミノシリコーン樹脂(グレードSF1706)を含むコーティング。
コーティング6:Dow corningから入手可能な87.5重量%のシリコーン系コーティング(グレード236)、および12.5重量%の炭化ケイ素を含むコーティング。
コーティング7:ケイ酸塩結合剤(20重量%)、二酸化ケイ素(37重量%)、および炭化ホウ素(3重量%)、ならびに水(40重量%)を含むコーティング。
コーティング8:ケイ酸カルシウム(30重量%)、リン酸三カルシウム(20重量%)、混合金属酸化物顔料(5%)、および水(45%)を含むコーティング。
標本の色は、米国BYK-Gardnerによって作製されたSpectro-guide45/0glossを使用して、L*、a*、b*スケールで測定された。
標本は、ASTM E903に従って、日射反射率(R)および吸収率(A)に関して試験された。標本の放射率(E)は、300Kの温度で、ASTM E408に従って測定された。1mil厚のコーティングで被覆された50mm長×50mm幅×2mm厚のアルミニウム基板は、日射反射率、吸収率、放射率の測定のために使用された。
被覆された標本は、95アンペアの電流設定を使用して、実施例2で説明されたような、裸アルミニウム基板と比較したときの導体の動作温度を低下させるそれらの能力に関して試験された。導体の動作温度に対する太陽エネルギーの影響を研究するために、太陽エネルギースペクトルをシミュレートする白熱電球が、試験標本に印加される電流に加えて、試験標本の上に置かれ、試験標本温度は、記録された。標準的なハロゲン化金属400ワット電球(モデルMH400/T15/HOR/4K)が使用された。ランプと電球との間の距離は、1フィートに維持された。結果は、「電気+太陽」として表にされている。白熱電球がオフにされ、電流がオンにされた結果は、「電気」として表にされている。
コーティングの熱老化性能は、1日および7日間、325℃に維持された空気循環式オーブン内に標本を置くことによって行われた。熱老化が完了した後、標本は、24時間、21℃の室温に置かれた。標本は、次いで、より大きい直径からより小さい直径までのサイズの異なる円筒形マンドレル上で曲げられ、コーティングは、マンドレルサイズのそれぞれで任意の目に見えるひびについて観察された。標本は、10インチ以下の直径のマンドレル上で曲げられたとき、目に見えるひびを示さなかった場合、「合格」とみなされた。
Figure 0006386459
特定の実施形態が、本発明を例示するために選択されてきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正がそこでなされ得ることは、当業者には理解されるであろう。
100 裸オーバーヘッド導体
102 取り込み巻回ロール
104 前処理ユニット
106 コーティングユニット
108 乾燥/硬化ユニット
110 コア、ローラ
112 導体
120 円形断面導電性ワイヤ
130 スペクトル選択性表面層
200 裸オーバーヘッド導体、環状浸液式ダイ
202 内側表面
204 中心開口部
206 チューブ
210 円形導電性ワイヤ
220 スペクトル選択性表面層
300 裸オーバーヘッド導体
310 コア
320 台形状導電性ワイヤ
330 スペクトル選択性表面層
400 裸オーバーヘッド導体
410 台形状導電性ワイヤ
420 スペクトル選択性表面層

Claims (10)

  1. 無機コーティングで被覆された裸導体を備える表面改質オーバーヘッド導体であって、ANSI C119.4-2004に従って試験されたとき、前記表面改質オーバーヘッド導体の動作温度が、同じ電流の下で、放熱剤を含まない、非改質オーバーヘッド導体の動作温度と比較したとき、少なくとも5℃だけ低下し、前記コーティングは0.5以上の放射率係数を有し、前記コーティングが結合剤および放熱剤を含み、前記結合剤は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウムおよびこれらの組み合わせからなる群から選ばれた金属ケイ酸を含み、かつ、前記放熱剤は、酸化ガリウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、六ホウ化ケイ素、四ホウ化炭素、四ホウ化ケイ素、炭化ケイ素、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、二ホウ化ジルコニウム、酸化亜鉛、亜クロム酸第二銅、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化クロム、酸化鉄、炭化ホウ素、ケイ化ホウ素、酸化銅クロム、リン酸三カルシウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれた少なくとも一つの剤を含む、表面改質オーバーヘッド導体。
  2. 前記コーティングが、0.75以上の放射率係数を有する、請求項1に記載の表面改質オーバーヘッド導体。
  3. 前記コーティングが、総乾燥コーティングの重量で、5%未満の有機材料を含む、請求項1または2に記載の表面改質オーバーヘッド導体。
  4. 前記コーティングが5ミクロンから100ミクロンの厚さを有する、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の表面改質オーバーヘッド導体。
  5. a.裸導体を調製することと、
    b.前記導体を浸液式ダイに通し、次いでポストコーティング空気ワイプに通すことによって、被覆された導体を形成するために、前記導体の表面に液体コーティング混合物を塗布することと、
    c.前記被覆された導体を乾燥させることと
    を含み、
    前記液体コーティング混合物は結合剤および放熱剤を含み、
    前記結合剤は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウムおよびこれらの組み合わせからなる群から選ばれた金属ケイ酸を含み、かつ、
    前記放熱剤は、酸化ガリウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、六ホウ化ケイ素、四ホウ化炭素、四ホウ化ケイ素、炭化ケイ素、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、二ホウ化ジルコニウム、酸化亜鉛、亜クロム酸第二銅、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化クロム、酸化鉄、炭化ホウ素、ケイ化ホウ素、酸化銅クロム、リン酸三カルシウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれた少なくとも一つの剤を含む、表面改質オーバーヘッド導体を作製するための方法。
  6. 裸導体を調製することが、前記導体をサンドブラストすることと、前記サンドブラストされた導体をプレコーティング空気ワイプに通すこととを含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記プレコーティング空気ワイプおよび前記ポストコーティング空気ワイプの一方あるいは両方の後に、前記導体を加熱することをさらに含む、請求項6に記載の方法。
  8. 前記加熱するステップが、直火への曝露によるものである、請求項7に記載の方法。
  9. 表面改質オーバーヘッド導体であって、
    裸導体と、
    実質的に無機でかつ乾燥したコーティング層であって、乾燥重量で、20％から60％の結合剤と、放熱剤とを含み、前記コーティング層は前記裸導体を被覆する、コーティング層と、
    を備え、
    ANSI C119.4-2004に従って試験されたとき、前記表面改質オーバーヘッド導体の動作温度は、被覆されずかつ同じ電流が加えられたときの前記裸導体の動作温度よりも低く、
    前記結合剤は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウムおよびこれらの組み合わせからなる群から選ばれた金属ケイ酸を含み、かつ、
    前記放熱剤は、酸化ガリウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、六ホウ化ケイ素、四ホウ化炭素、四ホウ化ケイ素、炭化ケイ素、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タングステン、二ホウ化ジルコニウム、酸化亜鉛、亜クロム酸第二銅、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化クロム、酸化鉄、炭化ホウ素、ケイ化ホウ素、酸化銅クロム、リン酸三カルシウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、およびこれらの組み合わせからなる群から選ばれた少なくとも一つの剤を含む、表面改質オーバーヘッド導体。
  10. 7日間の325℃での熱老化後にマンドレル曲げ試験に合格する、請求項1,2,3,4,9のいずれか1項に記載の表面改質オーバーヘッド導体。
JP2015526528A 2012-08-10 2013-04-19 表面改質オーバーヘッド導体 Active JP6386459B2 (ja)

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